Medida de la Distorsión Armónica
La medida de la distorsión armónica se ha convertido en una práctica indispensable en el análisis de la calidad de la energía eléctrica.
Conforme las instalaciones modernas incorporan cada vez más cargas no lineales, como variadores de velocidad, fuentes conmutadas o iluminación LED, la presencia de armónicos en la red aumenta, provocando efectos adversos tanto en los equipos como en la infraestructura de distribución.
Evaluar con precisión esta distorsión permite conocer el estado real de la señal eléctrica y anticipar problemas relacionados con pérdidas, sobrecalentamientos o funcionamiento incorrecto de dispositivos sensibles.
Existen diferentes metodologías e instrumentos para llevar a cabo la medida de la distorsión armónica. Desde analizadores de redes portátiles hasta sistemas de monitorización continua, estas herramientas proporcionan datos sobre parámetros como la distorsión armónica total (THD), la distorsión individual de cada orden armónico o la distribución espectral de tensiones y corrientes.
La medición debe ser el primer paso de un proceso más amplio que combine diagnóstico, prevención y optimización. En este contexto, la medida de la distorsión armónica se integra como herramienta básica en los programas de eficiencia energética y calidad de suministro, aportando la información necesaria para el cálculo de armónicos que fundamenta cualquier estrategia de mitigación.
Contenidos
Cómo Medir Armónicos Eléctricos
Antes de implementar cualquier solución, es fundamental comprender cómo medir armónicos eléctricos de forma precisa, ya que esto es imposible con equipos convencionales (como los multímetros de valor medio), pues no están diseñados para analizar señales distorsionadas.
La medición de la calidad de la energía, y de los armónicos en particular, requiere el uso de herramientas especializadas. Para que los datos sean fiables y comparables con normas internacionales, los instrumentos deben cumplir:
– Alta precisión: error inferior al 1% en medición de tensión y corriente.
– Capacidad FFT avanzada: capaz de analizar armónicos al menos hasta el orden 50.
– Registro de datos y almacenamiento: posibilidad de registrar durante días o semanas sin pérdida de información.
– Cumplimiento normativo: instrumentos que cumplan con estándares como IEC 61000-4-7 (medición de armónicos) y IEC 61000-4-30 (calidad de energía).
Además, se pueden encontrar equipos de medida de distorsión armónica tanto portátiles como fijos:
● Equipos de medición portátiles: son equipos de alta precisión que se conectan temporalmente para realizar campañas de medición. Permiten trasladarse a diferentes puntos de la instalación, siendo muy útiles para auditorías energéticas o diagnósticos puntuales.
● Equipos de medición fijos: instalados de forma permanente en cuadros principales, permiten la supervisión continua de la distorsión armónica. Sus capacidades superan ampliamente las de los portátiles, con detección inmediata de anomalías, registro histórico para identificar patrones e integración directa con sistemas de gestión energética mediante protocolos como Modbus o Ethernet.
Las herramientas para la medida de los armónicos se clasifican principalmente en 2 categorías: analizadores de redes y medidores de armónicos.
Analizadores de Redes
Los analizadores digitales de redes, conocidos también como Power Quality Analyzers, son la herramienta estándar para la medición y diagnóstico de armónicos en instalaciones eléctricas.
A diferencia de los multímetros convencionales, estos equipos están diseñados para caracterizar la calidad de la energía con un alto nivel de precisión, capturando fenómenos que van mucho más allá de los valores básicos de tensión, corriente o potencia.
Su combinación de hardware de alta velocidad y software especializado permite registrar y procesar en tiempo real la forma de onda eléctrica, ofreciendo una gran cantidad de datos técnicos y representaciones gráficas que facilitan la comprensión del estado de la red.
Las funcionalidades principales de un analizador de redes son:
● Cálculo automático de indicadores: determinan parámetros como la distorsión armónica total (THD), el factor de cresta (CF) y la distorsión individual de cada armónico (IHD). Esto elimina la necesidad de cálculos manuales y permite un análisis inmediato de la señal.
● Visualización de formas de onda: incorporan pantallas que muestran en tiempo real la tensión y la corriente, lo que facilita la identificación visual de la distorsión y la comparación entre la señal ideal y la señal real de la instalación.
● Análisis espectral: presentan gráficos de espectro que muestran la magnitud de cada armónica eléctrica de forma separada. Este tipo de análisis es crucial para identificar qué órdenes armónicos son dominantes.
● Medición de múltiples parámetros: además de incluir todas las mediciones de armónicos y otros parámetros eléctricos, analiza otros parámetros de calidad de energía, como flicker, interrupciones, variaciones de voltaje, desbalance, etc.
● Registro y almacenamiento de datos: su capacidad de registrar mediciones continuas a lo largo del tiempo permite analizar fenómenos intermitentes, observar tendencias y correlacionar la presencia de armónicos con el funcionamiento de determinadas cargas.
Medidor de Armónicos Eléctricos
Es un equipo más básico y específico con menor precisión que un analizador de redes. Está diseñado específicamente para medir los armónicos de tensión y corriente en una instalación eléctrica. Son comunes en multímetros avanzados o pinzas amperimétricas con funcionalidad armónica.
Sus funciones principales son:
– Determinar la distorsión armónica individual (IHD) y la distorsión armónica total (THD).
– Presentar el espectro de armónicos (magnitud de cada orden).
Está más enfocado en análisis puntual de armónicos, sin tantas funciones adicionales. Normalmente no mide otros parámetros de calidad de energía (flicker, transitorios, factor de potencia, huecos de tensión, etc.).
Tecnología de Medición de los Armónicos Eléctricos
El pilar matemático que permite a los analizadores descomponer una señal compleja es la Transformada Rápida de Fourier (FFT, por sus siglas en inglés). Este algoritmo convierte una señal temporal distorsionada, que combina la onda fundamental con sus armónicos, en un conjunto de frecuencias individuales con sus respectivas amplitudes.
En términos sencillos, la FFT funciona como si una orquesta tocara en conjunto: aunque al oído se perciba una sola melodía, el algoritmo permite “separar” cada instrumento para escucharlo por separado. Del mismo modo, el analizador distingue entre la onda fundamental (50 Hz en Europa, 60 Hz en otros países) y los armónicos de orden superior (150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, etc.).
Gracias a esta descomposición:
– Se identifican las frecuencias presentes en la señal.
– Es posible cuantificar la amplitud de cada componente armónica.
– Se calcula con precisión el THD y otros indicadores relevantes.
Estándares Internacionales y Límites de Distorsión
El aumento de los armónicos ha hecho imprescindible el desarrollo de normas internacionales para controlar la distorsión y garantizar la calidad de la energía. Estas normativas establecen límites claros y definen la responsabilidad de cada actor en el sistema eléctrico.
La Norma IEC 61000
La norma IEC 61000 se centra en la compatibilidad electromagnética y establece los límites de emisión de armónicos para los equipos individuales. Su objetivo es que los fabricantes diseñen sus productos para que no inyecten un nivel de distorsión excesivo en la red.
Distorsión Armónica Total de Tensión según Norma IEC 61000
La distorsión armónica total de tensión (THDV) es un indicador de la calidad de la onda de tensión en un punto de la red. Un alto THDV puede causar fallos en equipos, ya que muchos dispositivos están diseñados para una onda sinusoidal pura. La norma establece los siguientes rangos de riesgo:
● THDV < 5%: considerado un nivel normal. El riesgo de mal funcionamiento en los equipos es muy bajo.
● 5% < THDV < 8%: la distorsión es significativa. Existe un riesgo notable de que se produzcan anomalías en el funcionamiento de algunos equipos.
● THDV > 8%: nivel de distorsión importante. Es probable que se produzcan fallos y es necesaria una intervención inmediata para diagnosticar y mitigar el problema.
Distorsión Armónica Total de Corriente según Norma IEC 61000
La Distorsión Armónica Total de Corriente (THDI) es un indicador de la distorsión que una carga específica inyecta a la red. Un alto THDI es la causa de la distorsión de la tensión y, por lo tanto, la norma proporciona rangos para controlar la "contaminación" de la red. La medida se recomienda hacer en la entrada de cada circuito para identificar las fuentes de distorsión:
● THDI < 10%: la carga se comporta de manera casi lineal (ej. un motor convencional, una resistencia). El riesgo es nulo, puesto que la corriente es limpia.
● 10% < THDI < 50%: la carga es claramente no lineal (ej. fuentes de alimentación conmutadas, variadores de frecuencia sin filtro). Hay riesgo de de sobrecarga en cables y transformadores.
● THDI > 50%: la carga es altamente contaminante (ej. cargas monofásicas con electrónica de potencia muy básica, algunos tipos de cargadores de baterías). Además de los riesgos anteriores, hay alto riesgo de disparo de protecciones por sensibilidad armónica.
La Norma IEEE 519
La norma IEEE 519 (Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de armónicas en sistemas eléctricos de potencia) es el estándar de referencia mundial en materia de distorsión armónica.
Publicada por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), su propósito es establecer límites claros y prácticos para garantizar que los niveles de armónicos presentes en las redes eléctricas sean aceptables, preservando la calidad del suministro y el correcto funcionamiento de los equipos conectados.
Su importancia radica en que no se centra únicamente en el usuario final ni en el suministrador, sino que define un marco de responsabilidad compartida que obliga a ambos a velar por el cumplimiento de los límites establecidos.
Uno de los pilares fundamentales de la IEEE 519 es que define claramente las obligaciones de cada parte:
● Suministrador: es responsable de garantizar que la distorsión en tensión (THDV) en la acometida no supere los valores establecidos. Esto implica que el sistema de generación, transmisión y distribución debe estar diseñado y operado de manera que no introduzca niveles inaceptables de distorsión.
● Usuario: debe limitar la distorsión en corriente (THDI) que inyecta en la red. El cumplimiento de este requisito es esencial para evitar que la suma de múltiples usuarios genere un impacto negativo sobre la calidad del suministro eléctrico global.
Límites de Distorsión Armónica de la Tensión según IEEE 519
La IEEE 519 establece límites máximos de distorsión que deben cumplirse en el punto de acometida (PCC, Point of Common Coupling), es decir, el punto de conexión entre el suministrador y el usuario.
Para tensiones nominales inferiores a 69 kV, los valores son:
● Distorsión armónica individual vh(%): ≤ 3% del valor eficaz de la tensión fundamental.
● Distorsión armónica total (THDV): ≤ 5%.
Por ejemplo, en una instalación industrial con una acometida de 400 V, si la tensión fundamental es 230 V (fase-neutro), la contribución de cualquier armónica individual no debería superar: vh = 0,03 · 230 = 6,9 V y la distorsión total debería mantenerse por debajo de: THDV = 0,05 · 230 = 11,5 V.
Esto asegura que los equipos conectados reciban una tensión próxima a una onda senoidal pura, evitando malfuncionamientos y pérdidas adicionales.
Límites de Distorsión Armónica de la Corriente según IEEE 519
El control de los armónicos en corriente es más complejo porque depende de la relación entre la corriente de cortocircuito (ICC) y la corriente de carga máxima (IL) en el punto de acometida.
● ICC: la corriente que circularía si se produjera un cortocircuito en el punto de conexión, valor que proporciona la compañía eléctrica.
● IL: la demanda máxima de corriente de la instalación del usuario.
La relación ICC/IL indica cuán “robusto” es el sistema frente a las corrientes armónicas generadas por el usuario. Cuanto mayor es esta relación, mayor es la capacidad del sistema para absorber armónicos sin que afecten significativamente a la tensión de red.
La IEEE 519 indica, para tensiones nominales inferiores a 69 kV, los límites de distorsión en corriente medidos en la acometida, mostrados en la siguiente tabla de armónicos eléctricos:
La tabla de armónicos eléctricos se interpreta de la siguiente manera:
– Cuando ICC /IL < 20: el sistema es débil frente a la carga del usuario. En este caso, los límites de armónicos son muy estrictos porque incluso pequeñas inyecciones de armónicos pueden distorsionar la tensión.
– Cuando ICC/IL > 1000: el sistema es muy robusto y puede soportar mayores niveles de corriente armónica sin degradar la calidad del suministro.
En resumen, cuanto mayor sea el impacto de la instalación del usuario sobre la red, más severos serán los límites que debe cumplir.
Punto de Medición de los Armónicos Eléctricos
La acometida es el punto de conexión entre la red de distribución del suministrador y la instalación del usuario. La norma IEEE 519 establece que este punto es el único lugar oficial de referencia para la verificación del cumplimiento de los límites de distorsión armónica.
Esto significa que, aunque en el interior de la instalación puedan existir niveles de distorsión más elevados en determinados circuitos, lo relevante desde el punto de vista normativo y contractual es el valor medido en la acometida, ya que es donde se produce la interacción real con la red pública.
Evaluación en Puntos Internos de la Instalación
Aunque no son vinculantes respecto a la norma, medida de la distorsión armónica en diferentes puntos internos de la instalación es útil para:
● Detectar excesos locales: por ejemplo, en cuadros secundarios que alimentan cargas no lineales (variadores, iluminación LED, equipos informáticos). Estos puntos pueden mostrar valores de distorsión superiores a los permitidos en la acometida.
● Analizar cancelaciones: en sistemas con múltiples cargas, algunos armónicos pueden cancelarse al sumarse en la acometida, arrojando valores dentro de los límites, aunque localmente existan distorsiones significativas.
● Optimizar soluciones: conocer dónde se generan los armónicos permite aplicar medidas de mitigación específicas (como instalar filtros activos en una rama concreta).
Importancia de la Ubicación del Medidor de Armónicos
La ubicación correcta del medidor de armónicos es fundamental para obtener resultados fiables:
– Si se mide demasiado cerca de la carga, los valores pueden sobrerrepresentar la distorsión local y no reflejar la realidad de la acometida.
– Si se mide en la acometida, los valores son comparables con los límites de IEEE 519 y representan la calidad de energía que intercambia usuario y suministrador.
– En instalaciones complejas, lo recomendable es una estrategia mixta: medida oficial de la distorsión armónica en la acometida y medidas internas para diagnóstico.
Procedimiento de Medición de los Armónicos Eléctricos
Los armónicos no son un problema estático; varían con el tiempo y las condiciones de la carga. Por ello, una medición puntual no es suficiente para un diagnóstico preciso. Un procedimiento de medida de la distorsión armónica adecuado debe considerar la duración, la frecuencia de muestreo y las condiciones de operación de la instalación.
Períodos de Muestreo y Duración de Campañas
La norma IEEE 519 es clara al recomendar que la medida de la distorsión armónica se realice en campañas con una duración suficiente para capturar la variabilidad real de la instalación. Una medición instantánea, por ejemplo, en un momento de baja actividad, podría subestimar significativamente el problema.
● Duración mínima: un período de medición de 7 días consecutivos se considera un mínimo razonable. Este lapso permite abarcar todas las condiciones típicas de operación, incluyendo los picos de carga de los días laborales, los períodos de menor actividad (horas valle) y la baja o nula actividad durante los fines de semana.
● Muestreo continuo y de alta resolución: el analizador de redes debe estar configurado para un muestreo continuo, con una resolución lo suficientemente alta (milisegundos) para detectar incluso fenómenos transitorios y fluctuaciones rápidas en la distorsión. Esta capacidad identifica armónicos generados por la conmutación de equipos o la operación de procesos específicos.
Condiciones Representativas de Carga
Para que las mediciones sean útiles, deben reflejar el peor escenario posible. Por lo tanto, es vital que se realicen cuando la instalación esté operando en sus condiciones de carga más representativas, que a menudo coinciden con los momentos de máxima demanda.
● Días y horas punta: las mediciones durante las horas de mayor actividad son las más valiosas, ya que la mayoría de los equipos no lineales están en funcionamiento, lo que inyecta el máximo nivel de distorsión en la red.
● Variabilidad de carga: en instalaciones con procesos de producción intermitentes, es necesario planificar la campaña para que coincida con la operación de los equipos que se sospecha que son la fuente de los armónicos. Esto puede requerir mediciones en diferentes turnos de trabajo o durante la puesta en marcha de maquinaria pesada. Solo así se puede obtener una imagen completa del problema armónico.
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