Definición de armónicos
Los armónicos son ondas cuyas frecuencias son un múltiplo entero superior o inferior a las de las oscilaciones fundamentales. Surgen debido a cargas no lineales en la red cuando la tensión eléctrica se distorsiona debido a diversos factores que influyen en ella.
Causas de las perturbaciones/armónicos en la red eléctrica
El cambio en la tecnología energética
Para aprovechar mejor la energía, hoy en día controlamos muchas cosas mediante la electrónica de potencia. Por ejemplo, un motor asíncrono se sustituye a menudo por un accionamiento controlado por un convertidor de frecuencia o un electrodoméstico se equipa con una fuente de alimentación conmutada en lugar de un transformador.
A diferencia de la tecnología antigua, la nueva tecnología de aparatos ya no suele tomar corriente sinusoidal de la red. Los dispositivos de medición de la calidad de la energía descomponen esta corriente en el espectro de todas las frecuencias. En la medición de la calidad de la energía, ahora subdividimos las perturbaciones del sistema en armónicos, interarmónicos y, más recientemente, supraarmónicos.
Definimos los armónicos como múltiplos de la fundamental (ejemplo: 250 Hz = 5º armónico para una fundamental de 50 Hz). Si las frecuencias se sitúan entre dos múltiplos enteros de la fundamental, las denominamos intermedias o interarmónicas. En la tecnología de medición de la calidad de la energía y en determinadas normas, todos los interarmónicos de un rango se resumen generalmente en un valor (ejemplo: todas las frecuencias entre >350Hz y <400Hz se incluyen en el 7º interarmónico).
Sinónimos
En electrotecnia, a menudo se utilizan términos sinónimos para describir los armónicos:
- Armónico
- Armónico de red
- Corriente armónica
Importancia de los armónicos en relación con la CEM
Los armónicos son frecuencias más altas no deseadas que se superponen a la forma de onda fundamental y crean un patrón de onda distorsionado. Estas distorsiones pueden provocar interferencias electromagnéticas (IEM) y, por tanto, perjudicar la compatibilidad electromagnética (CEM). Esto es especialmente importante en el contexto del suministro de energía, ya que los armónicos tienen un impacto negativo en la eficiencia y la vida útil de los dispositivos y sistemas eléctricos.
La norma CEM IEC61000-2-2 define las reglas del juego para la red pública actual y, con sus valores límite de hasta 150 kHz, regula si un consumidor introduce niveles de interferencia demasiado altos en la red en la conexión o si un dispositivo perturbado tiene una inmunidad a las interferencias demasiado baja. La tecnología de medición adecuada puede demostrarlo. Si el nivel de interferencia sigue estando por debajo de los valores límite y un consumidor se ve afectado negativamente, es probable que la inmunidad a las interferencias sea demasiado baja. Si se supera el valor límite de la norma, es casi seguro que la fuente de la interferencia está causando una realimentación excesiva en la red.
Causas y efectos
Los armónicos en la red de CA son ondas con frecuencias superiores a las de las oscilaciones fundamentales de la frecuencia de la red. Provocan una distorsión de la onda sinusoidal de corriente y tensión y son una contaminación electromagnética de la red eléctrica. Estas distorsiones se expresan en porcentaje y también se denominan distorsión armónica total (THD). El valor se refiere a la relación entre todos los armónicos de corriente o tensión y la frecuencia fundamental, normalmente la frecuencia fundamental de 50 hercios.
Causas típicas y sus frecuencias de reloj/rangos de frecuencia de las perturbaciones de red con las que tenemos que contar en las redes de suministro eléctrico modernas de hoy en día:
- Variador de frecuencia: 4kHz bis 20kHz
- Inversor solar (400V): 16kHz bis 22kHz
- Central eólica (red de MT): 2kHz bis 6kHz
- Estación de carga móvil: 10kHz bis 80kHz
- Filtros de red activos: 8kHz bis 20kHz
- Sistemas SAI: 15kHz bis 25kHz
- Luces ECG: 20kHz bis 200kHz
- Fuentes de alimentación conmutadas: 30kHz bis 300kHz
En resumen, puede decirse que los armónicos son un factor crítico del suministro eléctrico que influye en la compatibilidad electromagnética. Los causan los consumidores y los alimentadores, que provocan una realimentación negativa en la red en forma de distorsiones de la tensión eléctrica. Los armónicos se producen por encima o por debajo de la frecuencia fundamental de la onda sinusoidal de tensión y también pueden describirse con diversos sinónimos como interarmónicos o supraarmónicos. Sus efectos sobre la eficiencia y la estabilidad de las redes eléctricas y los dispositivos eléctricos son considerables, por lo que no deben subestimarse.
Serie de vídeos actuales – subtítulos en español disponibles
Todo sobre la medición y el análisis de la calidad eléctrica para detectar armónicos y otras interferencias de la red como transitorios, flicker y asimetrías de tensión.
Cambios en la tecnología energética – Parte 1
Este artículo, que fue escrito en colaboración con el portal Schutztechnik.com, discute los cambios actuales en la tecnología de la energía. También examina los efectos de las perturbaciones de la red y el impacto que tienen en los dispositivos de medición que utilizamos hoy en día para detectar fallos en la red.
Cambios en la tecnología energética – Parte 2
Las normas desempeñan un papel fundamental en las mediciones de la calidad de la energía. Por ello, es esencial que éstas también se adapten a las nuevas condiciones en el transcurso del cambio de la tecnología energética. En el segundo artículo de nuestra serie, examinamos las normas actuales en el campo de la calidad de la energía y cómo deben interpretarse en relación con las altas frecuencias de conmutación.
Mediciones de la calidad de la energía:
El conductor N y los armónicos
En las mediciones de calidad eléctrica, a menudo se violan los armónicos impares, como el 15º, 21º y 27º. Pero, ¿qué son los armónicos, cómo se producen y qué influencia tienen en el conductor neutro? Este artículo aborda estas cuestiones y pretende arrojar algo de luz sobre el tema.
Medidas de calidad de la energía:
El tercer armónico
En el informe «El conductor neutro y los armónicos» ya se explicaron las características especiales de los armónicos divisibles por 3 y por qué se suman en el conductor neutro. Este informe de aplicación pretende ilustrar esto una vez más utilizando una medición típica en la red y mostrar lo que hay que tener en cuenta para las mediciones de calidad de la energía. El caso descrito se refiere a problemas de calidad eléctrica en un edificio de oficinas.
Cuatro formas de medir la corriente
En este vídeo se examinan distintos métodos para medir la corriente. Examina cómo se miden las corrientes utilizando analizadores de potencia y pinzas amperimétricas. Examina las ventajas e inconvenientes respectivos de distintas tecnologías, como las derivaciones, las pinzas amperimétricas normales, los sensores de efecto Hall y las bobinas Rogowski. También se abordan los posibles errores de medición.
Determinación del ángulo de los armónicos de tensión y corriente
¿Quién causa los armónicos, el cliente o la empresa de suministro energético? ¿Y es posible determinar la dirección de los armónicos? Jürgen Blum, director de producto de PQMobil e inventor de la PQ-Box de A. Eberle, responde a estas preguntas en este vídeo.
Cos ϕ frente a factor de potencia λ – Teoría
Este informe técnico analiza la distinción entre el factor de potencia y el coseno phi. El coseno phi, antes conocido a menudo como la relación entre la potencia activa y la potencia aparente, tiene un significado diferente para muchos consumidores hoy en día. Existe una diferencia notable en la definición de cómo se calcula el factor de potencia o coseno phi.
Cos ϕ frente al factor de potencia λ – Práctica
Este segundo informe técnico sobre el tema de la potencia reactiva y, en particular, de la potencia reactiva de distorsión complementa el primer artículo Cos ϕ frente a la teoría del factor de potencia. En este artículo, la tensión y la corriente de una lámpara incandescente se miden en línea utilizando un analizador de redes (PQ-Box 200), que se regula mediante el control del ángulo de fase. Este ejemplo de medición se utiliza para ilustrar los diferentes tipos de potencia reactiva.
Consejos y trucos 1 – Cómo utilizar los dispositivos de medición de la calidad eléctrica y errores típicos de aplicación
Este artículo le ofrece valiosos consejos y trucos para realizar mediciones de la calidad de la energía. Explica qué errores de conexión pueden cometerse y qué consideraciones previas deben tenerse en cuenta antes de utilizar un dispositivo de medición. En cuanto a la elección del dispositivo de medición, se analiza la decisión entre un dispositivo de medición móvil y un analizador de calidad eléctrica instalado permanentemente.
Consejos y trucos 2 – Cómo utilizar los dispositivos de medición de la calidad de la energía y errores típicos de aplicación
Este tema está dividido en dos entradas (Consejos y Trucos Parte 1 y Parte 2). Esta es la parte 2.
Tipos de armónicos
¿Cuándo una onda es armónica y cuándo no?
Los armónicos son ondas que se producen por encima o por debajo de la frecuencia fundamental. Existe una oscilación armónica si el movimiento del cuerpo oscilante corresponde a la proyección de un movimiento circular uniforme y puede describirse mediante una función seno o coseno. Alternativamente, una oscilación puede describirse como armónica si la fuerza restauradora sobre el cuerpo oscilante está dirigida en la dirección opuesta y es proporcional a la desviación del cuerpo desde su posición de reposo. Estas condiciones definen cuándo una oscilación se considera armónica desde un punto de vista físico.
En cambio, las vibraciones no armónicas no cumplen estas condiciones. No presentan un movimiento circular uniforme y la fuerza restauradora no es proporcional a la desviación. Además de los armónicos, existen otros tipos de contaminación de la red que pueden detectarse utilizando una tecnología de medición adecuada.
Los transitorios son picos de tensión o corriente repentinos y de corta duración causados por cambios rápidos en la red, como descargas de rayos, operaciones de conmutación o cambios bruscos de carga. Pueden perturbar o dañar los dispositivos electrónicos.
El parpadeo se refiere a las fluctuaciones rápidas y repetidas de la tensión de red que provocan el parpadeo de la iluminación. Estas fluctuaciones suelen estar provocadas por cargas que fluctúan periódicamente, como la soldadura.
Las asimetrías de tensión se producen cuando la tensión en una red trifásica se distribuye de forma desigual, lo que puede provocar una carga desigual en las fases y un posible sobrecalentamiento. Esto puede deberse a cargas distribuidas de forma desigual, transformadores defectuosos o cableado defectuoso.
Primer, segundo, tercer y n-ésimo armónicos
Primer, segundo, tercer y n-ésimo armónicos
La forma de onda fundamental se conoce como primer armónico. El primer armónico tiene la misma frecuencia que el fundamental. El segundo armónico tiene una frecuencia dos veces mayor que la del fundamental, y el tercer armónico tiene una frecuencia tres veces mayor que la del fundamental. Y así hasta el enésimo armónico, cuya frecuencia es n veces la fundamental.
Interarmónicos y supraarmónicos
Los interarmónicos se producen cuando las frecuencias de las oscilaciones están entre múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Pueden deberse a cargas no lineales y provocar interferencias adicionales en la red eléctrica.
Los supraarmónicos son armónicos cuyas frecuencias son superiores a las frecuencias armónicas típicas y también pueden provocar interferencias electromagnéticas.
En resumen, las oscilaciones armónicas se caracterizan por sus frecuencias, que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Las oscilaciones no armónicas no cumplen esta condición y también pueden provocar interferencias en la red eléctrica. Los armónicos primero, segundo, tercero y enésimo tienen frecuencias que son una, dos, tres o n veces superiores a la frecuencia fundamental. Los armónicos interarmónicos y supraarmónicos incluyen frecuencias que se sitúan entre o por encima de las frecuencias armónicas y también pueden influir en la calidad de la energía.
Origen y efectos de los armónicos
¿Cómo y dónde se producen los armónicos?
Los armónicos se producen en las redes eléctricas debido a equipos y dispositivos no lineales que distorsionan la forma sinusoidal de las curvas de corriente y tensión. Idealmente, la tensión eléctrica debería seguir una curva sinusoidal perfecta en la que la polaridad alternara uniformemente entre valores positivos y negativos. Sin embargo, esta curva uniforme es sólo teórica y hoy en día es prácticamente imposible encontrarla en la realidad.
Causas de los armónicos
- Equipos no lineales: Aparatos como transformadores y lámparas fluorescentes tienen una curva característica no lineal que provoca oscilaciones armónicas.
- Equipos electrónicos de potencia: Los rectificadores, triacs y tiristores generan oscilaciones no armónicas que perturban la red.
- Fuentes de alimentación conmutadas: Son habituales en aparatos como televisores, ordenadores e iluminación halógena y generan corrientes que dan lugar a corrientes armónicas y, por tanto, a distorsiones de tensión.
Estos factores alteran el consumo lineal de corriente y dan lugar a armónicos. Los armónicos han sido un problema reconocido desde los primeros tiempos de las redes de distribución de energía eléctrica. Sin embargo, con el desarrollo y el rápido aumento del uso de convertidores de frecuencia en los aparatos/consumidores modernos, estas distorsiones aumentan considerablemente.
¿Cuáles son los efectos negativos de los armónicos? ¿Qué riesgos se derivan?
Los armónicos pueden tener importantes efectos negativos en las redes eléctricas y los aparatos conectados a ellas. He aquí algunos de los problemas y riesgos más importantes:
Calentamiento adicional
Los armónicos provocan un calentamiento adicional de los motores y generadores trifásicos y de corriente alterna. Este calentamiento adicional perjudica la vida útil y la eficiencia de los dispositivos electrónicos.
Acortamiento de la vida útil
Dispositivos como las bombillas pueden desgastarse más rápidamente debido al aumento de la temperatura del filamento. Las vibraciones armónicas pueden acortar considerablemente la vida útil de los dispositivos eléctricos.
Averías y sobrecargas de los dispositivos
Las lámparas fluorescentes y los condensadores asociados pueden verse perturbados o sobrecargados por armónicos, lo que puede provocar averías y fallos de funcionamiento.
Destrucción de dispositivos
Los picos de corriente de entrada elevados causados por armónicos pueden provocar el llamado desplazamiento del punto neutro, que puede dañar o destruir dispositivos, especialmente en sistemas de CA trifásicos.
Malfunctions and Impairments
Harmonics can lead to malfunctions due to a shift in the zero crossings and the occurrence of multiple zero crossings. This affects power converters, synchronisation devices and parallel switching devices.
Averías y daños
Los armónicos pueden provocar fallos de funcionamiento debido al desplazamiento de los pasos por cero y a la aparición de múltiples pasos por cero. Esto afecta a los convertidores de potencia, los dispositivos de sincronización y los dispositivos de conmutación en paralelo.
Deterioro de los dispositivos de protección y medición
Los armónicos pueden afectar a los dispositivos de protección, como la protección de distancia, la protección contra sobreintensidades o la protección diferencial. La precisión de los contadores de inducción también puede verse afectada.
Mal funcionamiento de los sistemas informáticos
Los armónicos pueden causar perturbaciones masivas en los sistemas informáticos, como fallos operativos, caídas del sistema, fallos de módulos, defectos de interfaz, pérdidas de rendimiento, problemas de datos y parpadeo de pantallas.
En resumen, los armónicos suponen un riesgo importante para la estabilidad y eficiencia de las redes y dispositivos eléctricos. Pueden provocar un calentamiento adicional, acortar la vida útil, provocar averías en los dispositivos e importantes deficiencias funcionales. Por tanto, es importante tomar medidas para reducir y controlar los armónicos con el fin de garantizar la calidad de la energía y la seguridad de funcionamiento.
Medición de armónicos con dispositivos de medida de clase a (IEC61000-4-30 Ed.3) por A. Eberle
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