Armónicas en sistemas eléctricos modernos: definición, causas y soluciones

Entendiendo los Armónicos: Una Preocupación Creciente en los Sistemas de Energía

A medida que los sistemas de energía modernos evolucionan con los rápidos avances en la electrónica de potencia, un problema se ha vuelto cada vez más crítico, aunque a menudo se pasa por alto: los armónicos. La integración de dispositivos semiconductores de alta potencia como tiristores, MOSFETs e IGBTs ha llevado a un aumento significativo de las cargas no lineales en las redes eléctricas. Estas cargas distorsionan la naturaleza sinusoidal de las formas de onda de corriente y voltaje, lo que resulta en armónicos, un importante desafío de calidad de energía que ya no se puede ignorar.

En los sistemas anteriores dominados por cargas lineales, la calidad de la energía era en gran medida responsabilidad de la empresa de servicios públicos. Sin embargo, a medida que los usuarios de energía de hoy en día adoptan equipos más diversos y sofisticados, los indicadores de calidad de la energía, como los armónicos, el parpadeo de voltaje y el desequilibrio, ahora están fuertemente influenciados por el lado del usuario. Una clara comprensión de los armónicos es esencial para cualquier persona involucrada en el diseño, la operación o la solución de problemas del sistema.

1. ¿Qué son los Armónicos?

Según el estándar nacional de China GB/T 24337 (Calidad de la energía - Interarmónicos en las redes públicas de energía), los armónicos se definen como los componentes de una señal eléctrica cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental del sistema.

En China, la frecuencia estándar de la red es de 50 Hz. Los armónicos a 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, etc., se denominan, por lo tanto, 2º, 3º, 4º armónicos, y así sucesivamente. Los armónicos se pueden clasificar de dos maneras principales:

Por secuencia: Secuencia positiva, secuencia negativa y secuencia cero.

Por múltiplo de frecuencia:

• Armónicos de orden impar (3º, 5º, 7º, etc.)
• Armónicos de orden par (2º, 4º, 6º, etc.)

Los armónicos impares se encuentran con mayor frecuencia en la práctica y se pueden monitorear a través de datos del back-end del sistema o herramientas de análisis de forma de onda.

2. ¿Qué causa los Armónicos?

Los armónicos se originan típicamente cuando se aplican voltajes sinusoidales a cargas no lineales. Las fuentes comunes incluyen:

• Equipos electrónicos de potencia: variadores de frecuencia (VFD), rectificadores e inversores, que generan armónicos dominantes de 3º, 5º, 7º y de orden superior.
• Maquinaria industrial: hornos de arco, iluminación fluorescente y calentadores de inducción.

Estos dispositivos interrumpen la relación lineal entre el voltaje y la corriente, causando distorsión de la forma de onda y la inyección de corrientes armónicas en el sistema. Con el tiempo, esto puede provocar sobrecalentamiento, fallas en el aislamiento, mal funcionamiento del equipo, disparos falsos e incluso inestabilidad generalizada del sistema.

En los últimos años, el crecimiento de los sistemas de energía renovable (por ejemplo, PV y eólica) ha introducido más inversores y convertidores en la red, aumentando la huella armónica y exigiendo mayores demandas en el control moderno del sistema de energía.

3. Cómo mitigar los Armónicos: Una Estrategia de Múltiples Vertientes

La mitigación efectiva de armónicos requiere una combinación de diseño proactivo, selección estratégica de equipos y tecnologías correctivas. Los enfoques clave incluyen:

(1) Control del lado de la fuente: El método más rentable y completo. Al optimizar el diseño de la carga y seleccionar dispositivos de baja armónica, la generación de armónicos se puede minimizar en la fuente.

(2) Protección de equipos: Para dispositivos sensibles, aplique estrategias de aislamiento o mitigación de interferencias electromagnéticas (EMI) para reducir el impacto de los armónicos.

(3) Soluciones de filtrado:

• Filtros pasivos: Rentables y adecuados para filtrar armónicos específicos de frecuencia fija.
• Filtros activos: Más versátiles y efectivos en entornos dinámicos, pero con un costo más alto.

Nota: El despliegue de filtros debe evaluarse cuidadosamente para evitar la resonancia potencial con la red.

Conclusión

La distorsión armónica es un problema cada vez más urgente en los sistemas de energía modernos. A medida que las infraestructuras energéticas se vuelven más complejas, la identificación, el análisis y la mitigación de los armónicos deben convertirse en una práctica estándar para ingenieros y profesionales de la energía. Con el conocimiento y las herramientas adecuados, la calidad de la energía se puede salvaguardar, garantizando tanto la fiabilidad como la eficiencia en la próxima generación de redes eléctricas.

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