Resonancia y Distorsión Armónica
En los sistemas eléctricos modernos, la resonancia y distorsión armónica se han convertido en fenómenos de gran relevancia. Estas anomalías afectan tanto a la estabilidad de la red como a la vida útil de los equipos.
La distorsión armónica consiste en la deformación de la onda sinusoidal fundamental debido a la presencia de frecuencias superiores. Por otro lado, la resonancia es un fenómeno que magnifica drásticamente esas frecuencias, amplificando el problema.
La resonancia combinada con la presencia de armónicos generados por cargas no lineales, puede generar riesgos significativos. Los más comunes son sobrecalentamientos, disparos intempestivos de protecciones o incluso fallos catastróficos en transformadores, condensadores y otros componentes de la instalación.
El estudio de estos fenómenos requiere comprender la interacción entre las fuentes de armónicos, la impedancia de la red y los elementos de compensación, como bancos de condensadores.
En este contexto, el uso de modelos matemáticos, simulaciones y técnicas de instrumentación avanzada permite identificar condiciones de resonancia antes de que se produzcan. Así, se pueden establecer medidas preventivas, como filtros activos o pasivos, redimensionamiento de equipos o cambios en la topología de la red.
Por todo ello, abordar la resonancia y la distorsión armónica no solo implica observar sus efectos, sino también anticiparse a ellos mediante un adecuado cálculo de armónicos, que constituye la base de cualquier estrategia de diagnóstico y mitigación.
Contenidos
Corrección del Factor de Potencia con Armónicos
Aunque corregir el factor de potencia es una práctica esencial para la eficiencia energética, la presencia de armónicos en la red puede convertir esta solución en un problema aún mayor.
Objetivo de la Corrección del Factor de Potencia
La corrección del factor de potencia es una práctica común y necesaria en la industria para optimizar el uso de la energía.
En un sistema con cargas inductivas (como motores o transformadores), una parte de la energía se utiliza para crear campos magnéticos en lugar de realizar un trabajo útil. Esta energía, conocida como potencia reactiva, no contribuye a la producción pero sí consume capacidad de la red.
Un factor de potencia bajo indica un uso ineficiente de la energía, lo que puede resultar en recargos en la factura eléctrica y un sobrecalentamiento innecesario de los conductores.
La solución tradicional a este problema es instalar bancos de condensadores, que consumen potencia reactiva capacitiva, compensando la potencia reactiva inductiva. Esto reduce la potencia aparente total demandada, mejorando la eficiencia y liberando capacidad en la red.
Condensadores y Armónicos
El problema surge cuando la red eléctrica también contiene cargas no lineales que inyectan armónicos. Los condensadores están diseñados para corregir el factor de potencia de desplazamiento (cos φ), que solo se refiere al desfase de la frecuencia fundamental de 50/60 Hz. Sin embargo, no compensan el factor de potencia de distorsión (FPD) que causan los armónicos.
Lejos de ser una solución para los armónicos, la instalación de condensadores puede incrementar el problema. Su combinación con la inductancia inherente de la red y los transformadores crea un circuito resonante (circuito tanque LC).
La naturaleza de este circuito hace que pueda resonar a ciertas frecuencias armónicas, magnificando las corrientes y tensiones de estos armónicos hasta niveles destructivos. Es por esto que los condensadores, al ser una solución para un tipo de problema (la potencia reactiva Q), pueden convertirse en el principal catalizador de uno nuevo (la resonancia armónica).
Resonancia Paralela con Armónicos
Cuando las cargas no lineales inyectan armónicos en la red, estos pueden interactuar de forma peligrosa con la infraestructura eléctrica, especialmente con las baterías de condensadores, un fenómeno conocido como resonancia paralela.
Circuito Tanque LC
La red eléctrica, con sus transformadores y líneas de distribución, posee una inductancia (L) inherente. Al instalar una batería de condensadores (C) para corregir el factor de potencia, se crea un circuito resonante o circuito tanque LC en paralelo. Este sistema tiene una frecuencia de resonancia característica (fr) donde su impedancia se vuelve crítica.
La fórmula para esta frecuencia de resonancia es:
Esta fórmula nos revela una relación fundamental: la frecuencia de resonancia es inversamente proporcional a la inductancia y la capacitancia. Por lo tanto, si se aumenta la capacidad de los condensadores, la frecuencia de resonancia de todo el sistema disminuye, acercándose a las frecuencias de los armónicos de menor orden.
Frecuencia de la Resonancia y Frecuencia de los Armónicos
La resonancia ocurre cuando la frecuencia de resonancia natural del circuito L−C (fr) coincide o se aproxima a la frecuencia de uno de los armónicos (fh) presentes en la red. La distorsión armónica ya existe en el sistema, pero la resonancia actúa como un amplificador selectivo de esos armónicos.
En esta condición, la impedancia del circuito tanque se vuelve máxima en esa frecuencia armónica particular. Esto crea un camino de alta resistencia para la corriente que intenta fluir desde la fuente de energía, pero provoca un flujo de corriente masivo y oscilante entre la inductancia de la red y el condensador.
Como resultado, la tensión y la corriente de ese armónico específico se magnifican enormemente, alcanzando valores mucho mayores a los que existían inicialmente. Esta sobrecorriente y sobretensión armónica puede tener efectos devastadores en la instalación.
Consecuencias de la Resonancia
Aunque la resonancia es un fenómeno físico, sus consecuencias en una instalación eléctrica son muy reales y costosas.
Daño y Destrucción de Condensadores
El efecto más inmediato y severo de la resonancia es el daño a los bancos de condensadores. Cuando la resonancia amplifica la corriente armónica en el circuito L−C, la corriente que fluye a través de los condensadores puede superar su capacidad nominal.
Esta sobrecorriente genera un sobrecalentamiento extremo dentro del condensador. Con el tiempo, este calor excesivo causa el deterioro del material dieléctrico, lo que reduce la vida útil del condensador y puede llevar a su fallo total y destrucción.
Este proceso se evidencia a menudo por la apertura de los fusibles que protegen a los condensadores, ya que están diseñados para reaccionar ante estas sobrecorrientes.
Problemas de Sobretensión y Fallos en Equipos
El impacto de la resonancia y la distorsión armónica no se limita a los condensadores. La misma amplificación que aumenta la corriente también eleva la tensión armónica en el punto de resonancia. Esta sobretensión, que puede ser varias veces superior a la tensión nominal, se propaga por la red interna del usuario.
● Daño a equipos sensibles: los equipos electrónicos, sistemas de control (PLCs) y otras cargas sensibles no están diseñados para operar con tensiones tan distorsionadas. La sobretensión armónica puede dañar sus componentes internos, traduciéndose en un mal funcionamiento, errores de comunicación y fallos inesperados que detienen la producción.
● Disparo de protecciones: la tensión distorsionada y los picos de corriente pueden confundir a los dispositivos de protección. Los interruptores magnetotérmicos y los diferenciales pueden disparar sin que exista un fallo real, causando interrupciones no deseadas que afectan la continuidad del suministro y la productividad.
Estrategias para la Prevención de la Resonancia
La experiencia en el campo de la calidad de la energía ha llevado a establecer una serie de guías prácticas para evaluar el riesgo de resonancia antes de que se manifieste.
La más conocida es la regla del 10%. Esta regla empírica establece que si el porcentaje de cargas no lineales en una instalación supera el 10% de la carga total, existe un riesgo significativo de que surjan problemas de resonancia al instalar baterías de condensadores para corregir el factor de potencia.
Este umbral actúa como una señal de advertencia para los técnicos. Ignorar esta regla puede llevar a la destrucción de los condensadores y otros equipos, así como a la pérdida de productividad.
Prevención en la Etapa de Diseño
El mejor momento para evitar la resonancia es antes de que se convierta en un problema. La prevención comienza con un análisis exhaustivo del sistema eléctrico.
● Análisis de flujo de armónicos: un estudio de flujo de armónicos es un análisis detallado del sistema eléctrico. Utilizando software de ingeniería especializado como ETAP o SKM, se crea un modelo digital de la red, incluyendo la inductancia de la red y las cargas no lineales.
Este modelo permite simular diferentes escenarios de operación, predecir dónde y cuándo podrían ocurrir resonancias y probar la eficacia de las estrategias de mitigación antes de implementar cualquier solución física.
● Selección adecuada de bancos de condensadores: la instalación de condensadores es el factor que introduce la capacidad al sistema, y la clave es hacerlo de forma inteligente.
Es vital evitar el sobredimensionamiento, ya que esto reduce la frecuencia de resonancia, acercándola a los armónicos de menor orden (como el 5º o 7º), que son los más comunes.
Filtros de Trampa de Armónicos
Los filtros de trampa de armónicos, también conocidos como reactores de filtro o reactores de detune, son una variante inteligente de los filtros pasivos. Estos filtros se colocan en serie con la batería de condensadores, creando una "trampa" para las frecuencias indeseadas.
La función principal de un filtro de trampa es proteger la batería de condensadores de las corrientes armónicas que, de otra manera, la dañarían. La trampa se compone de un reactor (inductancia) que se instala en serie con el condensador. La combinación de estos dos elementos crea un circuito de filtro que tiene una alta impedancia a una frecuencia específica.
Al sintonizar el reactor y el condensador a una frecuencia cercana a la del armónico problemático (por ejemplo, al 5º o 7º armónico), el filtro crea una barrera que bloquea el paso de la corriente armónica hacia el condensador. De esta manera, evita la resonancia y protege el condensador de la sobrecarga y el sobrecalentamiento.
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