Las distorsiones armónicas (o, simplemente, armónicos) se definen tradicionalmente como voltajes o corrientes sinusoidales que tienen frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia a la que opera el sistema de suministro eléctrico (50Hz en el caso chileno). Entonces, una señal de onda sinusoidal de 250Hz, superpuesta a la frecuencia de 50Hz de la red fundamental, será designada como la armónica de 5º orden (5 x 50 Hz) (Ver Figura 1).

Estos fenómenos eléctricos muchas veces causan problemas en las redes eléctricas de bajo voltaje, especialmente en la industria, interfiriendo en el funcionamiento de sistemas electrónicos más sensibles (como PCs y PLCs) y acelerando el envejecimiento de las instalaciones y equipamiento eléctrico.

Al respecto, Rodrigo Santibáñez, Product- Support de la División Low Voltage Products de ABB en Chile, explica que “las principales causas de distorsión armónica en sistemas de Baja Tensión, provienen generalmente de cargas no lineales y dispositivos electrónicos, los cuales absorben corrientes no senoidales provocando la deformación de la onda senoidal de tensión, ocasionando la llamada perturbación armónica.

Carlos Aninat, Gerente General de CLAS Ingeniería Eléctrica, brinda otros ejemplos de este tipo de cargas, como: equipos electrónicos monofásicos, que internamente trabajan en corriente continua y que disponen de un rectificador y condensador de filtro a la entrada (computadores, impresoras, equipos electrónicos programables, etc.); instalaciones de iluminación con lámparas de descarga; hornos de arco y equipos de soldadura, transformadores, reactancias con núcleo de hierro, etc.

En particular, Rubén Gutiérrez, Supervisor Sucursal Concepción de NDU Ingeniería Ltda., indica que las corrientes armónicas, pueden generar sobrecarga de los conductores neutros, sobrecalentamiento de los transformadores, disparos intempestivos de los interruptores automáticos, sobrecarga de los condensadores de corrección del factor de potencia, y efecto superficial. “Por su parte, las tensiones armónicas pueden producir distorsión de la tensión, fallos en motores de inducción, y ruido de paso por cero”, agrega.

Manuel Morales, Product Manager Digital Factory-Motion Control Systems en Siemens Chile, considera que uno de los efectos más graves de los armónicos puede ser el aumento de la corriente total, ya que las corrientes armónicas pueden provocar que los cables queden subdimensionados. “Además, dependiendo del orden de los armónicos generados, se puede tener también dificultades o bajas de torque en los motores conectados a un ‘punto común de conexión’ con presencia de armónicos. De igual modo, los armónicos pueden generar fallas en la operación de los sistemas, por ejemplo, al tener elevaciones de corriente, las protecciones operan, provocando detenciones en los procesos”, acota.

A lo anterior, Alfonso Arancibia, Jefe Ingeniería y Proyectos de Rexel, recuerda que la presencia de armónicos de corriente “también puede provocar la circulación de corriente por el neutro, principalmente de los armónicos impares múltiplos de 3, lo que aumentará el voltaje entre tierra-neutro y como consecuencia afectar equipamiento sensible, y la quema de bancos de condensadores, que pudiesen entrar en resonancia con alguna frecuencia de algún armónico”.

Figura 1 - Ejemplo de distorsión armónica.

Al considerar las graves consecuencias que pueden provocar estas distorsiones, Santibáñez estima que “es de vital importancia eliminar la componente armónica en redes eléctricas, con la finalidad de evitar corrientes excesivas en el neutro y asegurar el buen funcionamiento de la red eléctrica y sus cargas conectadas”.

Para esto, Aninat destaca que la mayor parte de las fallas mencionadas pueden ser corregidas mediante filtros. “Lógicamente, cada problema requiere un estudio de las cargas que pueden ser el origen de las perturbaciones y, en la medida de lo posible, mediciones de corrientes y tensiones con análisis de armónicos para poder elegir el filtro adecuado, que incluyen filtros de rechazo (o ‘desintonizados’), filtros de absorción (o ‘sintonizados’), reactancias en serie con entrada de red, filtros EMI, filtros de rechazo de banda, filtros activos o pasivos, etc.”, comenta.

En general, como acota Morales, se usan actualmente dos técnicas para mitigar las perturbaciones armónicas: pasiva y activa. “La primera se refiere a la instalación de filtros pasivos que dejan pasar solo un porcentaje de los armónicos, generalmente es un 3% o 5% en el 5º armónico, el que es el más dañino por su magnitud. También se puede recurrir a reactancias de entrada (también llamadas bobinas de red), las que aumentan la impedancia de entrada de los equipos que generan armónicos (como los variadores de frecuencia), llegando a porcentajes cercanos al 20% de THDi”, describe.

En tanto, la técnica activa se refiere a la instalación de filtros activos que hacen posible llegar a porcentajes de contaminación de un 5%. No obstante, para seleccionar este filtro, el ejecutivo enfatiza la necesidad de efectuar un previo análisis de la red. “Esto, porque generalmente se fabrican con capacidades que pueden aumentar en base a los niveles de contaminación. Cuando se requiera realizar mejoras en un sistema eléctrico, siempre se recomienda analizar la red completa, ya que se puede lograr una solución óptima mezclando las técnicas mencionadas”, aclara.

Para Santibañez, los filtros activos son una buena alternativa para cargas monofásicas y trifásicas, con o sin neutro. “En el mercado, hay filtros basados en electrónica de potencia, que se instalan en paralelo a las cargas contaminantes, y que pueden supervisar los armónicos de corriente de línea, gracias a sistemas de Bucle o Lazo Cerrado y su capacidad de selección de armónicos individuales. Tienen la capacidad de leer hasta el armónico 50 y trabajar en el filtrado simultáneo de los 20 armónicos más desfavorables de la red”, comenta, añadiendo que “la compensación de armónicos está basada en la inyección de una corriente en contra fase, que cancela los armónicos generados por la carga. Este sistema de inyección de corriente no perjudica la conmutación de cargas capacitivas que pudieran existir en la red”.

Otra forma para filtrar los armónicos, y en particular aquellos impares múltiplos de 3, es instalar un transformador de aislación en configuración delta-estrella lo más cercano a las cargas. “Estos transformadores deben ser diseñados para esta aplicación con una capacidad y factor K adecuados a las cargas”, explica Arancibia.