En un sistema de alimentación ideal (libre de armónicos), las formas de onda de la corriente y la tensión son sinusoidales puras. Por ejemplo, en un circuito formado sólo por cargas lineales –por ejemplo cargas resistivas–, la corriente que fluye a través de los componentes es proporcional a la tensión aplicada a una frecuencia determinada. Dicho de otro modo, si se aplica una tensión senoidal se produce una corriente senoidal en la carga. No obstante, en la práctica nos encontramos con componentes no lineales interactuando en los circuitos eléctricos.

Figura 1.

Un rectificador es una carga no líneal. Cuando aplicamos una tensión senoidal a una carga a través de un rectificador, obtendremos una forma de onda de corriente muy distinta a una sinusoide, en la que pueden presentarse ciertas asimetrías e histéresis y los puntos de corte y las pendientes variarán con la carga (Ver figuras 1 y 2).

Figura 2.

Esto es lo que da origen a la generación de armónicos, los cuales son magnitudes eléctricas múltiplos de una componente fundamental. Por ejemplo, una corriente medida a 50 Hz es la componente fundamental y todas las corrientes medidas a las frecuencias múltiplo de 50 Hz son armónicas de esta corriente fundamental. Estas corrientes se expresan como un porcentaje de la corriente fundamental y la sumatoria de todos estos porcentajes se expresa como "THD" (Total Harmonic Distortion). (Ver figuras 3 y 4)

Dentro de las instalaciones eléctricas industriales los armónicos más preocupantes son los de corriente; no obstante, los armónicos de voltaje también generan problemas.

Figura 3.

Problemas generados por los armónicos de corriente: Sobrecarga de los conductores neutros, Sobrecalentamiento de los transformadores de alimentación, Operación espontánea de protecciones diferenciales, Sobrecarga de los conden-sadores que corrigen el factor de potencia, Efecto superficial, etc.

Problemas generados por los armónicos de voltaje: Distorsión de la tensión, Problemas en los motores de inducción, Ruido de paso por cero, etc.

Figura 4.

Los Convertidores de frecuencia generando contaminación armónica

La mayoría de los VDFs operan usando puentes rectificadores en la entrada (cargas no lineales), por lo que estos equipos entregan a la red eléctrica contaminación armónica.

Dependiendo del tipo de puente rectificador será la magnitud y el or-den de los armónicos que aparecerán. Por ejemplo, un puente recti-ficador de 6 pulsos (6 diodos) sólo contendrá armónicos impares y eliminará el 3th armónico y todos los múltiplos de este (Ej., el 9th, el 15th, etc). Como los armónicos son un problema, es que hay que buscar formas de eliminarlos o al menos atenuarlos.

Técnicas para controlar la distorsión armónica

Técnicas pasivas:

Un convertidor de frecuencia sin ningún tipo de filtro generará una contaminación armónica THD > 100%.

Inductores en el bus DC: Algunas fabricantes de VDFs incorporan de forma estándar bobinas en serie en el bus DC. Esta técnica reduce la THD < 45%.

Reactores de línea: Generalmente son soluciones opcionales. Son filtros que se colocan entre la alimentación y el VDF. Esta técnica reduce la THD también a un valor < 45% (Ver figura 7)

Rectificador de 12 pulsos: No necesitan transformadores extras. Elimina la generación de la 3th, 5th y 7th armónica. Existen versiones serie o paralelo. Esta técnica reduce la THD a un nivel < 11%.

Técnicas activas:

Rectificador controlado: Generalmente utilizan la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM). Cancelan los armónicos 3th, 5th, 7th, 11th y 13th. Esta técnica reduce la THD a < 9%. (Ver figura 10)

Filtro activo: Es un dispositivo que se conecta en paralelo con VDF. Un transformador de corriente mide la intensidad del contenido armónico de la corriente de carga y, a través de un generador de corriente, produce una réplica exacta de los armónicos pero en sentido inverso. En la práctica, esta técnica reduce la THD a un nivel < 3 - 8%.