Efectos de los Armónicos Eléctricos

Los efectos de los armónicos en las instalaciones eléctricas se han convertido en un tema central dentro del ámbito de la calidad de la energía.

A medida que la presencia de cargas no lineales se ha multiplicado en la industria, el comercio y los hogares, la distorsión de las formas de onda de corriente y tensión ha dejado de ser un fenómeno aislado para transformarse en un reto cotidiano.

Entre sus consecuencias destacan el incremento de pérdidas en conductores y transformadores, el calentamiento excesivo de máquinas eléctricas, la reducción de la eficiencia global de las instalaciones y la aparición de fallos prematuros en componentes sensibles.

Para abordar este desafío, resulta imprescindible recurrir al cálculo de armónicos, una herramienta que permite cuantificar la presencia de cada componente distorsionante en la señal eléctrica y evaluar su impacto sobre la instalación.

Este análisis no solo facilita la identificación de los órdenes armónicos predominantes, sino que también sirve de base para diseñar estrategias de mitigación. Por ejemplo, la instalación de filtros, la redistribución de cargas o la selección de equipos más robustos frente a la distorsión.

Efectos de los Armónicos en la red de Distribución

Los armónicos, al circular por la red eléctrica, no solo distorsionan la forma de onda, sino que también ejercen un impacto directo y perjudicial sobre la infraestructura de distribución. Estos efectos son la principal razón por la que la calidad de la energía se ha convertido en una preocupación.

Pérdidas y Sobrecalentamiento en Conductores

El sobrecalentamiento en los cables es uno de los efectos más comunes y costosos de los armónicos. Esto se debe principalmente a 2 fenómenos:

● Efecto piel (skin effect): las corrientes de alta frecuencia, como las que componen los armónicos, no se distribuyen uniformemente por toda la sección del conductor. En lugar de ello, tienden a concentrarse y fluir por la superficie exterior del cable.

 Esto reduce el área efectiva de conducción, lo que provoca un aumento de la densidad de corriente. Este incremento de la densidad se traduce en mayores pérdidas por efecto Joule (P = R ·  I²). Como consecuencia, se genera un sobrecalentamiento excesivo que puede dañar el aislamiento del cable y reducir su vida útil.

● Aumento de la reactancia inductiva: la impedancia de un cable tiene una componente inductiva, conocida como reactancia inductiva (X_L). Esta reactancia es directamente proporcional a la frecuencia de la corriente, según la fórmula X_L = 2π ⋅ f ⋅ L.

Para la corriente fundamental (50 Hz), X_L tiene un valor relativamente bajo. Sin embargo, para los armónicos de alta frecuencia, como el 5º (250 Hz) o el 7º (350 Hz), el valor de la reactancia aumenta significativamente, dificultando aún más su circulación y contribuyendo al sobrecalentamiento.

Problemas en el Conductor Neutro

En un sistema trifásico equilibrado con cargas lineales, las corrientes de cada fase se anulan entre sí en el punto de unión. En este caso, la corriente en el conductor neutro es prácticamente nula. Con las cargas no lineales, sin embargo, esta regla no se aplica.

Los armónicos triples (múltiplos de 3, como el 3º, 9º, 15º, etc.) se caracterizan por tener una particularidad: sus corrientes en cada fase no se cancelan, sino que se suman algebraicamente en el neutro.

Esto puede llevar a que la corriente en el conductor neutro sea incluso mayor que la corriente de cualquiera de las fases. Esta sobrecarga severa provoca un sobrecalentamiento excesivo y, en casos extremos, la destrucción del cable neutro, lo cual puede generar un riesgo de incendio.

Dado que los fusibles de protección se instalan únicamente en los conductores de fase, cualquier condición de sobrecarga que afecte exclusivamente al neutro pasará desapercibida para los dispositivos de protección, lo que representa un peligro al dejar ese conductor vulnerable.

Aumento de las Pérdidas en Transformadores

Los transformadores no están diseñados para operar con corrientes armónicas. La presencia de armónicos en la corriente de carga provoca 2 tipos de pérdidas adicionales que se traducen en un aumento de la temperatura:

● Pérdidas en el cobre: la circulación de corrientes armónicas, debido al efecto piel y la mayor frecuencia, aumenta las pérdidas por efecto Joule en los devanados del transformador.

● Pérdidas en el hierro: los armónicos de alta frecuencia provocan pérdidas adicionales por histéresis y corrientes parásitas (Eddy currents) en el núcleo del transformador.

Este aumento de pérdidas reduce la capacidad nominal del transformador, un fenómeno conocido como “derating”.

Por ejemplo, un transformador diseñado para 100 kVA con cargas puramente sinusoidales, podría ver su capacidad efectiva reducida a 80 kVA o menos si está alimentando cargas con un alto contenido armónico. Esto acorta drásticamente su vida útil, produce un zumbido audible y puede llevar a fallos prematuros.

Efectos de los Armónicos en los Equipos y la Producción

Cuando las ondas armónicas se propagan por la red, no solo sobrecalientan los cables, sino que también atacan directamente a los equipos conectados. Todo esto provoca una variedad de fallos que impactan en la producción y la fiabilidad.

Efectos de los Armónicos en Motores y Generadores

Los motores y generadores son particularmente vulnerables a los armónicos. La tensión armónica que llega a un motor genera corrientes armónicas adicionales que no contribuyen al par motor principal.

En su lugar, estas corrientes secundarias producen pares de vibración y pulsación que no solo causan un ruido audible, sino que también ejercen un estrés mecánico significativo sobre los rodamientos y las bobinas.

Este estrés mecánico, combinado con el calentamiento adicional que generan las corrientes armónicas, acelera la degradación del aislamiento del bobinado. Esto acorta la vida útil del equipo y aumenta la probabilidad de fallos inesperados.

Efectos de los Armónicos en Baterías de Condensadores

Las baterías de condensadores, esenciales para la compensación de la energía reactiva y la mejora del factor de potencia, son extremadamente susceptibles a los armónicos.

La reactancia de un condensador es inversamente proporcional a la frecuencia (X_C​ = 1 / 2π ⋅ f ⋅ C). Esto significa que a medida que la frecuencia de un armónico aumenta, la impedancia del condensador disminuye drásticamente.

En presencia de armónicos, un banco de condensadores puede convertirse en un camino de baja impedancia para la corriente armónica. El resultado es una sobrecarga masiva de corriente que puede provocar un sobrecalentamiento extremo y la destrucción de los condensadores.

Efectos de los Armónicos en Equipos Sensibles

Muchos dispositivos electrónicos modernos, como los autómatas o sistemas de control programables (PLC), sistemas de instrumentación, ordenadores y equipos médicos, dependen de una tensión sinusoidal pura para su correcto funcionamiento.

La tensión de alimentación distorsionada por armónicos puede perturbar su lógica interna y causar errores de lectura o fallos de comunicación.

Esto puede provocar el funcionamiento irregular de equipos, defectos en la producción y paradas imprevistas. Estas consecuencias se materializan finalmente en significativas pérdidas financieras para la empresa.

Efectos de los Armónicos en Dispositivos de Protección y Medición

La presencia de armónicos en una instalación eléctrica puede afectar de manera significativa el desempeño de los dispositivos de protección y medición.

En el caso de los interruptores automáticos, fusibles y relés, las corrientes armónicas provocan un aumento de las pérdidas y del calentamiento en conductores y transformadores. Esto que puede inducir disparos intempestivos o, por el contrario, retrasar la actuación de las protecciones frente a sobrecargas reales.

Los armónicos pueden provocar que un interruptor diferencial (DDR) se active falsamente al confundir sus altas frecuencias con corrientes de defecto. Este malfuncionamiento ocurre porque estos dispositivos están calibrados específicamente para la frecuencia fundamental de la red.

Para evitar estos falsos disparos, se han desarrollado diferenciales "superinmunizados". Estos dispositivos incorporan un filtro de alta frecuencia para ignorar la distorsión armónica y disparar solo ante corrientes de falla reales.

Del mismo modo, los armónicos pueden causar lecturas erróneas en los instrumentos de medición convencionales, dificultando el monitoreo del consumo de energía y la calidad del suministro.

Los equipos de medición eléctrica, como contadores, transformadores de medida y analizadores, pueden registrar valores erróneos, especialmente en magnitudes como la potencia activa, reactiva o el factor de potencia. Esto no solo compromete la fiabilidad de las lecturas, sino que también puede generar desequilibrios económicos en la facturación de la energía.

Consecuencias Económicas y Operativas de los Armónicos

Aunque los efectos técnicos de los armónicos pueden parecer abstractos, su impacto en una empresa se traduce en una variedad de costes muy reales y en un claro deterioro de la competitividad. Los armónicos no son solo una cuestión de calidad de la energía, sino un problema de gestión empresarial.

Costes Directos e Indirectos de los Armónicos

Los armónicos tienen un impacto económico significativo que a menudo se subestima. Estos costes pueden ser directos y fácilmente cuantificables, o indirectos y más difíciles de medir:

– Pérdidas de energía y aumento del consumo: la presencia de armónicos en la red genera un calor excesivo en los conductores, transformadores y motores. Esta energía que se disipa como calor es un desperdicio, lo que se traduce directamente en un aumento en la factura eléctrica.

– Reducción de la vida útil de los equipos: el sobrecalentamiento constante y el estrés mecánico y eléctrico causado por los armónicos aceleran el envejecimiento del aislamiento y los componentes de las máquinas. Esto acorta la vida útil de los equipos, como motores y transformadores, lo que obliga a las empresas a incurrir en costes de reemplazo y mantenimiento más frecuentes.

– Paros de producción no planificados: la interrupción del suministro por disparos intempestivos de los interruptores automáticos y diferenciales, o los fallos de los equipos sensibles, pueden paralizar la producción. El coste de estos paros es a menudo mucho mayor que el del equipo dañado, ya que incluyen pérdidas de producción, incumplimiento de plazos y costes de mano de obra.

– Gastos de diagnóstico y mitigación: una vez que los problemas de los armónicos eléctricos son evidentes, las empresas deben invertir en el diagnóstico de la calidad de la energía y en la implementación de soluciones de mitigación, como filtros activos o pasivos, lo que representa una inversión considerable.

Impacto de los Armónicos en la Competitividad

Más allá de los costes directos, los armónicos afectan la capacidad de una empresa para competir en el mercado actual. La fiabilidad de una operación industrial moderna es fundamental para su éxito. Un entorno con alta distorsión armónica es inherentemente inestable, propenso a fallos y con un rendimiento subóptimo de la maquinaria.

Además, los armónicos pueden afectar la calidad del producto. En procesos que dependen de la precisión de los equipos de control, la tensión distorsionada puede llevar a errores en el producto final. A largo plazo, una baja fiabilidad y una menor calidad de la producción pueden erosionar la reputación de una empresa y su cuota de mercado.

Por lo tanto, aunque la eliminación total de los armónicos es a menudo imposible (ya que provienen de equipos vitales para el negocio), su correcta gestión se ha convertido en una prioridad estratégica para mantener la eficiencia, la seguridad y, en última instancia, la competitividad.

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