Armónicos eléctricos: qué son y cómo afectan a una planta

Qué son los armónicos eléctricos

La red colombiana entrega una tensión senoidal a una frecuencia nominal de 60 Hz, la frecuencia fundamental. Un armónico es una componente senoidal adicional cuya frecuencia es un múltiplo entero de esa fundamental: el de orden 3 oscila a 180 Hz, el de orden 5 a 300 Hz y el de orden 7 a 420 Hz. Un analizador de redes muestra la onda deformada como un espectro por orden.

Los armónicos nacen como corrientes, en los equipos que toman la corriente a pulsos. Al circular por la impedancia de transformadores y cables producen caídas de tensión deformadas, y así la distorsión pasa a la tensión que reciben las demás cargas, incluidas las que no generan armónicos.

Qué equipos generan armónicos

Los generan las cargas no lineales, que por su electrónica interna no toman una corriente proporcional a la tensión, generalmente porque llevan un rectificador a la entrada. Las fuentes habituales en una planta son los variadores de velocidad y otros convertidores estáticos, las UPS, las fuentes conmutadas de computadores y equipos electrónicos, la iluminación LED y de descarga, los hornos de inducción y de arco y las soldadoras. En una clínica privada las fuentes son las mismas: UPS, iluminación LED, equipos informáticos y equipos electrónicos con fuentes conmutadas. El efecto depende de qué proporción de la carga es no lineal.

Qué daños causan en una instalación

Los armónicos calientan los equipos por los que circulan y deforman la tensión que reciben las demás cargas.

Calentamiento de transformadores y conductores. Las corrientes armónicas aumentan las pérdidas en transformadores y cables, y las guías técnicas incluyen el sobrecalentamiento de transformadores entre los efectos habituales de una red con armónicos.

Sobrecarga del neutro. En un sistema trifásico equilibrado con cargas lineales, las corrientes de las tres fases se cancelan en el neutro. Con los armónicos de orden 3 y sus múltiplos no ocurre: están en fase en las tres fases y se suman en el neutro. En un caso con cargas monofásicas que muestra una guía técnica, la corriente del neutro llega a casi el doble de la de fase. Por eso, al diseñar tableros de baja tensión para este tipo de cargas, la sección del neutro y el ajuste de las protecciones contra sobrecarga se calculan con los armónicos en cuenta.

Disparos de protecciones. Las guías técnicas incluyen el disparo de interruptores sin una falla evidente entre los efectos de los armónicos, y es fácil atribuirlo a la protección cuando el origen está en la forma de onda.

Falla de condensadores. Los armónicos son el fenómeno que más daña a los condensadores de compensación. La reactancia de un condensador disminuye al aumentar la frecuencia, de modo que ante una tensión deformada absorbe una corriente armónica que puede superar la que soporta. El caso más grave, la resonancia, se explica en la sección 8.

Motores y equipos electrónicos. Una tensión deformada afecta el par de los motores, puede producir vibraciones o ruidos anómalos y causa fallas en equipos electrónicos.

Ninguno de estos efectos se cuantifica sin medir: la distorsión de tensión que produce una misma carga crece con la impedancia de la red aguas arriba.

Qué es el THD y cómo se mide

El THD (total harmonic distortion, distorsión armónica total) resume cuánto se aparta una onda de la senoidal pura. Es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los armónicos, hasta el orden 50, dividida entre la componente fundamental, expresada en porcentaje. Un THD de 0 % es una onda senoidal perfecta.

El TDD existe porque el THDi engaña a carga baja. El THDi divide entre la corriente fundamental del momento, así que una corriente armónica pequeña da un porcentaje alto cuando la planta trabaja casi en vacío. El TDD divide entre la corriente de demanda máxima y refleja el peso real de los armónicos; a plena carga, los dos coinciden.

La medición se hace con un analizador de redes conectado en el tablero general y en los tableros que alimentan cargas no lineales, que registra tensión, corriente, THD y el porcentaje de cada armónico. El periodo importa: la IEEE 519 introdujo en su edición de 2014 una evaluación estadística con valores de 3 segundos acumulados durante un día y valores de 10 minutos acumulados durante una semana, de los que se calculan percentiles. Unas pocas horas no captan turnos, arranques ni horas de carga baja.

Los límites se aplican en el punto de acoplamiento común, el punto de la red pública más cercano a la carga donde otros usuarios están o podrían conectarse; en una planta suele ser la frontera con el operador de red. Las mediciones por tablero localizan el origen.

Qué límites se usan en Colombia

En Colombia conviven tres referencias: la regulación de la CREG, la norma técnica colombiana NTC 5001 y el estándar internacional IEEE 519, del que la CREG tomó su tabla.

Resolución CREG 024 de 2005. Modificó el Reglamento de Distribución (Resolución CREG 070 de 1998) y, en su numeral 6.2.1.2, obliga a los transportadores del Sistema de Transmisión Nacional (STN) y a los operadores de red a cumplir una tabla de THD de tensión basada en la IEEE 519 de 1992:

Según el artículo 3 de la Resolución CREG 015 de 2018, el nivel 1 es menor de 1 kV, el 2 va de 1 kV a menos de 30 kV y el 3 de 30 kV a menos de 57,5 kV: una planta en baja tensión o en media tensión hasta 36 kV queda en ellos.

Cuando el causante es un usuario. La Resolución CREG 016 de 2007 fija el procedimiento. El operador de red tiene hasta 30 días hábiles desde que detecta la deficiencia para identificar al usuario causante y, una vez identificado, hasta 8 días hábiles para acordar con él un plazo de corrección; si el plazo vence sin corrección, puede desconectar el equipo que la causa. También puede instalar equipos de medición y exigir medidas remediales. Para una planta con muchos variadores, la distorsión armónica es un riesgo de continuidad, además de técnico.

NTC 5001. Es la norma «Calidad de la potencia eléctrica. Límites y metodología de evaluación en punto de conexión común», publicada por ICONTEC en 2008. Fija valores de referencia y metodologías de evaluación, incluida la distorsión armónica, en el punto de conexión entre el operador de red y el usuario, y con ella contrastan sus mediciones los estudios técnicos y académicos del país.

IEEE 519-2022. La edición vigente, publicada en agosto de 2022, fija límites en el punto de acoplamiento común en dos tablas: tensión, a cargo del operador de red, y corriente, a cargo del usuario. En tensión admite, para 1 kV o menos, un 5 % por armónico individual y un 8 % de THD; entre 1 kV y 69 kV, un 3 % y un 5 %. En corriente, el TDD admitido va del 5 % al 20 % según la relación entre la corriente de cortocircuito disponible y la de demanda máxima del usuario: cuanto más débil es la red frente a la carga, menos se admite.

La IEEE relajó en 2014 el THD de tensión para 1 kV o menos del 5 % al 8 %, pero la tabla de la CREG, tomada de la edición de 1992, conserva el 5 % en los niveles 1, 2 y 3, y es la que obliga al operador de red.

Armónicos y bancos de condensadores: el riesgo de resonancia

Un banco de condensadores forma con la inductancia del transformador y de la red un circuito con frecuencia de resonancia propia: cuanta más potencia de compensación se conecta, más baja es esa frecuencia. Si queda cerca de un armónico que generan las cargas, por ejemplo el 5 o el 7, las corrientes armónicas de los variadores encuentran un circuito resonante en paralelo. En ese orden aparece una sobretensión, el banco absorbe una corriente armónica mucho mayor que la prevista y el THD de tensión sube por encima del que había antes de conectarlo.

Por eso los armónicos se miden antes de comprar un banco de condensadores. Un manual de fabricante de condensadores pide un reactor en serie cuando el THD de tensión supera el 3 % o el de corriente el 10 %. En un banco automático la frecuencia de resonancia cambia con cada paso conectado, y el análisis debe cubrir todos los escalones. Energizar diseña y fabrica bancos correctores de factor de potencia, y la decisión sobre reactancias de rechazo se toma con esa medición.

Cómo se reducen los armónicos

Los armónicos se reducen en el equipo que los genera, en su tablero o en un punto común de la red.

Reactancias de línea e inductores en el bus de continua. Reducen la distorsión de corriente de cada variador; según la guía de un fabricante de variadores, en muchos casos bastan para cumplir el límite de tensión de la IEEE 519.

Filtros pasivos. Un condensador y un inductor sintonizados al armónico que se quiere eliminar, que aportan también potencia reactiva.

Filtros activos. Generan corrientes que anulan varios armónicos a la vez, con un costo mayor que el filtro pasivo.

Rectificadores de 12 o 18 pulsos y separación de cargas. Los rectificadores de más pulsos con transformadores desfasados cancelan parte de los armónicos, y alimentar por separado las cargas lineales y las no lineales protege a las primeras de la tensión deformada.

El espectro medido dice qué orden hay que atacar y en qué tablero.

Estudios de calidad de la energía con Energizar

Un estudio de calidad de la energía mide armónicos, variaciones de tensión y factor de potencia durante un periodo representativo y los traduce en decisiones de diseño: dónde va un filtro, si el banco necesita reactancias, cómo se dimensiona el neutro. Energizar ofrece estos estudios dentro de su línea de eficiencia energética y calidad de la energía, con el enfoque de estudio, diseño e implementación, y fabrica los tableros y bancos resultantes en su planta de ACOPI, Yumbo, con productos certificados RETIE 2024 por el laboratorio SIDE, hasta 1000 V ACDC. Si el estudio requiere una termografía, se contrata con un tercero.

Si en su planta o clínica hay disparos sin causa aparente o condensadores que fallan antes de tiempo, puede hablar con un ingeniero de Energizar.