Origen de los Armónicos Eléctricos
El origen de los armónicos se remonta a la proliferación de cargas no lineales en instalaciones industriales, comerciales y residenciales.
La introducción masiva de dispositivos con electrónica de potencia ha transformado la forma en que la corriente es consumida de la red. Estos aparatos generan un fenómeno conocido como armónicos eléctricos.
Identificar el origen de los armónicos eléctricos es fundamental para implementar medidas correctivas efectivas. Esto implica el análisis técnico y cálculo de los armónicos para poder cuantificar su magnitud y localizar su fuente de generación dentro de la instalación.
A continuación, se profundizará en las causas de la raíz de este problema actual. Se explicará cómo la interacción entre las nuevas tecnologías y la propia red eléctrica da lugar a la distorsión de la señal, sentando las bases para su posterior análisis y corrección.
Causa de los Armónicos Eléctricos
Históricamente, la mayoría de los equipos eléctricos eran cargas lineales. En estos dispositivos, la relación entre la tensión aplicada y la corriente consumida es directamente proporcional y se mantiene constante. Cuando se les suministra una tensión sinusoidal pura, responden consumiendo una corriente que es igualmente sinusoidal. Ej: resistencias puras (como un calentador o una bombilla incandescente), motores de inducción, transformadores, etc.
Una carga no lineal es un dispositivo que no mantiene una relación proporcional entre la tensión y la corriente. Estos equipos extraen la corriente de la red de forma intermitente, en pulsos o picos bruscos, en lugar de hacerlo de manera continua a lo largo del ciclo de la onda sinusoidal. Esto deforma la onda de corriente de la red, que es el primer paso en la generación de armónicos.
La causa del aumento de los armónicos en la actualidad es la proliferación masiva de estos dispositivos no lineales, impulsada por los avances en la electrónica de potencia. Estas cargas son ahora omnipresentes tanto en el ámbito industrial como en el doméstico, transformando el perfil de la red eléctrica.
Cargas No Lineales en la Industria
En la industria contemporánea, las cargas no lineales no son una excepción, sino la norma en múltiples procesos productivos y de control. Estos equipos, al incorporar electrónica de potencia, demandan corrientes no proporcionales a la tensión aplicada y generan distorsiones armónicas que se propagan por la red eléctrica. Algunos ejemplos destacados son:
● Variadores de velocidad (VSDs) y convertidores de frecuencia: ampliamente utilizados para regular la velocidad y el par de motores eléctricos en procesos industriales. Su capacidad de ajustar dinámicamente el consumo permite mejorar la eficiencia energética, reducir costes y optimizar la producción. No obstante, al emplear rectificación y modulación electrónica, introducen armónicos significativos en la red.
● Rectificadores y sistemas de alimentación en corriente continua (DC): esenciales en sectores como la electroquímica, la metalurgia, las telecomunicaciones y los centros de datos. Los grandes rectificadores convierten corriente alterna en continua para alimentar procesos críticos, pero lo hacen en forma de corrientes pulsantes que alteran la calidad de la energía.
● Hornos de arco eléctrico: muy comunes en la industria siderúrgica para la fusión de metales. Estos equipos trabajan con corrientes extremadamente elevadas y de naturaleza altamente variable, generando no solo armónicos de bajo orden, sino también fluctuaciones de tensión (flicker) que impactan en la estabilidad de la red.
● Equipos de soldadura: especialmente los que utilizan técnicas modernas con inversores electrónicos. Estos permiten un control más preciso y eficiente, pero al mismo tiempo distorsionan la forma de onda de la corriente debido a su funcionamiento por pulsos de alta frecuencia.
● Sistemas auxiliares industriales: iluminación LED de gran escala, sistemas de climatización y cargas informáticas asociadas al control de procesos, que también actúan como generadores de armónicos debido a sus fuentes de alimentación conmutadas.
Cargas No Lineales en el Ámbito Doméstico y Comercial
En el ámbito doméstico y comercial, la penetración masiva de dispositivos electrónicos ha transformado radicalmente la naturaleza de las cargas conectadas a la red. Hoy en día, gran parte del consumo cotidiano se realiza a través de equipos con electrónica de potencia. Algunos ejemplos representativos son:
● Equipos de oficina: ordenadores, portátiles, servidores, impresoras y fotocopiadoras utilizan fuentes de alimentación conmutadas, que convierten la corriente alterna en continua de forma pulsante. Estos equipos, al estar presentes en grandes cantidades en oficinas, call centers o centros de datos, generan una distorsión armónica significativa y continua.
● Electrodomésticos modernos: televisores de pantalla plana, hornos microondas, frigoríficos de última generación y sistemas de aire acondicionado con control electrónico de velocidad (inverter) son ejemplos de cargas no lineales en el hogar.
● Iluminación LED: la sustitución de bombillas incandescentes y fluorescentes por lámparas LED ha supuesto un enorme ahorro energético. Sin embargo, cada luminaria LED requiere de un driver electrónico que convierte la tensión de red en niveles adecuados de corriente continua. Estos controladores generan armónicos.
● Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAIs o UPS): imprescindibles para proteger equipos sensibles frente a cortes de energía, especialmente en hospitales, centros de datos o comercios con TPVs. No obstante, los SAIs integran rectificadores y convertidores electrónicos que distorsionan la corriente absorbida.
● Pequeños dispositivos electrónicos de consumo masivo: como cargadores de móviles, tablets, altavoces inteligentes, consolas de videojuegos o routers. Aunque individualmente generan corrientes armónicas pequeñas, en conjunto constituyen un factor relevante debido a su uso masivo y constante.
La combinación de estos dispositivos, cada uno aportando su propia distorsión armónica a la red, genera un efecto acumulativo cuyas consecuencias técnicas y económicas resultan ineludibles para los operadores de sistemas eléctricos y usuarios finales.
Mecanismo de Propagación de los Armónicos
Aunque el origen de los armónicos se encuentra en la corriente consumida por las cargas no lineales, el problema se magnifica cuando esta distorsión de corriente se propaga por toda la instalación en forma de una distorsión de tensión. Este proceso es el corazón del mecanismo de propagación de los armónicos.
Las corrientes armónicas generadas por las cargas no lineales que circulan por la instalación, encuentran diferentes impedancias según su frecuencia y se convierten en tensiones armónicas que deforman la señal de alimentación. El efecto no se limita a la carga que los origina, sino que se extiende a todos los equipos conectados a la misma red, comprometiendo la calidad de suministro.
Generación de Intensidades Armónicas
Las cargas no lineales (variadores, electrónica de potencia, equipos informáticos, iluminación LED, etc.) inyectan en la red corrientes armónicas, que son componentes de frecuencia múltiplo entero de la fundamental (50 Hz en Europa).
De esta forma, en el circuito no solo circula la corriente fundamental, sino también corrientes de 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, y así sucesivamente, dependiendo del espectro generado por la carga.
Conversión en Armónicos de Tensión
Cuando estas armónicas eléctricas atraviesan las impedancias propias de la red de alimentación (líneas, transformadores, conexiones, etc.), generan caídas de tensión armónica.
– La impedancia de un conductor no es puramente resistiva, sino que incluye una componente inductiva (XL = 2π ∙ f ∙ L).
– Como la reactancia inductiva es proporcional a la frecuencia, cuanto mayor sea el orden del armónico (h), mayor será la impedancia que encuentra al circular por la red.
– Esto provoca que la amplitud de la corriente armónica (Ih) tienda a ser menor a medida que aumenta el orden del armónico.
Aun así, aunque su amplitud decrece, cada armónico da lugar a una tensión armónica Vh = Zh ∙ Ih en la instalación.
Deformación de la Tensión de Alimentación
En el siguiente esquema se muestra la impedancia del circuito de alimentación para el armónico de rango h.
La tensión en el punto de utilización (punto B) deja de ser una onda senoidal pura. En la práctica, la tensión real es la suma de:
– La tensión fundamental de la red (50 Hz).
– La suma de todas las tensiones armónicas generadas por la interacción de las corrientes armónicas con las impedancias de la instalación.
El resultado es una tensión distorsionada que alimenta a todos los equipos conectados en ese punto, afectando tanto a cargas lineales como no lineales.
Circulación de Corrientes Armónicas en Instalaciones Eléctricas
El modelo de cargas que inyectan intensidad armónica permite analizar el origen y comportamiento de los armónicos en una instalación eléctrica.
En este esquema, las cargas no lineales (como rectificadores, variadores de velocidad, fuentes conmutadas, equipos informáticos, etc.) generan y liberan corrientes armónicas hacia la red, actuando como fuentes de contaminación armónica. Este fenómeno se conoce como "propagación inversa de armónicos".
Paralelamente, existen equipos que absorben o atenúan estas componentes armónicas. Las cargas lineales (motores, resistencias, etc.) tienden a disipar parcialmente estos armónicos.
Las corrientes armónicas se distribuyen por todas las ramas de la instalación, buscando el camino de menor impedancia. Los elementos de la red (cables, transformadores, etc.) presentan impedancias que varían con la frecuencia, lo que determina la atenuación o amplificación de cada componente armónica en su recorrido.
Los transformadores no bloquean los armónicos. Aunque atenúan parcialmente algunas frecuencias, permiten el paso de componentes armónicas hacia el lado de media tensión mediante acoplamiento electromagnético. Esto puede distorsionar la tensión en la red de media tensión.
La contaminación armónica es un problema colectivo. Un usuario con cargas muy distorsionantes puede degradar la calidad de la red para todos los conectados al mismo punto de alimentación, incluso en niveles de tensión superiores. Por esto, el análisis y mitigación de armónicos es esencial tanto para cumplir normativas como para garantizar la estabilidad del sistema eléctrico.
El hecho de que los armónicos se propaguen y puedan ser absorbidos por distintas cargas o por la red obliga al monitoreo continuo de calidad de energía, que permite detectar cómo circulan y se redistribuyen los armónicos en la instalación.
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