Las cargas domésticas e industriales contienen cada vez más circuitos electrónicos que se alimentan de corriente que no es senoidal pura. Así, por ejemplo, los motores utilizan cada vez más la regulación de frecuencia, que requiere un paso de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) y luego de CC a CA. Dado que el suministro es en CA, se requiere un uso cada vez más intensivo de convertidores electrónicos (rectificadores, onduladores, etc.). Lo mismo sucede con cargas tan habituales como computadores, alumbrado LED y de descarga, ascensores, etc.

Desde el punto de vista de la red eléctrica, el mencionado uso de convertidores electrónicos se traduce en que esta debe alimentar un gran número de cargas que rectifican la corriente y, por ello, la forma de onda de la corriente que consumen resulta alterada, de forma que ya no es una onda senoidal, sino una superposición de ondas senoidales con frecuencias múltiplos de la frecuencia de red (armónicos).

Este tipo de corriente es la más abundante en instalaciones como oficinas, centros comerciales y hospitales, y está formada por una componente de 50 Hz (frecuencia fundamental de la red) y una serie de componentes de frecuencias múltiplos en distintos porcentajes.

Estos porcentajes pueden medirse mediante un analizador de armónicos, así como la tasa de distorsión total (THD), que da la relación entre el valor eficaz del rizado y el eficaz de la componente fundamental.

Para regular y limitar los niveles de distorsión de tensión en los puntos de enlace de los abonados a la red pública, existen una serie de normas internacionales que establecen límites de emisión de armónicos para los equipos y sistemas que deban conectarse a la red.

Podemos comprender mejor los problemas de armónicos basándonos en algunos conceptos básicos, que han sido publicados en numerosos artículos y libros y que resumimos a continuación en forma sucinta:

• El origen de los problemas de armónicos son los receptores que consumen corrientes distorsionadas (denominados “no lineales”).

• La propagación del problema a otros usuarios conectados a la misma red depende de la impedancia de dicha red y esto depende de la compañía distribuidora. Esta impedancia no suele darse directamente, pero puede calcularse a partir de la potencia de cortocircuito disponible (a más potencia de cortocircuito, menor impedancia).

• El propio usuario tiene una parte de la red de distribución hasta llegar a la carga final. Así pues, el problema que pueda tener a la entrada de su instalación puede ser atribuido a falta de potencia de cortocircuito, pero en muchos casos, un problema existente en puntos alejados de la acometida, suele ser la causa de las impedancias de su propia instalación.

• Ahondando en el tema de la distorsión en puntos alejados de la acometida, hay que tener en cuenta que la impedancia de las líneas tiene una componente inductiva muy importante. Por tanto, no se trata muchas veces de distribuir con cables de sección muy grande, sino de limitar la inductancia por metro de los cables, lo que se consigue trenzando y retorciendo los cables de distribución (algo muchas veces rechazado por los instaladores por la falta de estética que representa).

• El problema de distorsión de la tensión en el punto PCC, puede agravarse debido a resonancias entre los condensadores de compensación del factor de potencia y la inductancia de la red de distribución (transformadores y líneas).

• Las medidas correctoras (filtros) deben instalarse de la manera más próxima posible a las cargas generadoras de los armónicos.

Límites de compatibilidad: Armónicos de tensión (Un%) en redes industriales de BT (IEC-61000-2-4)

En resumen, la respuesta del problema de armónicos es una solución a dos bandas: por un lado, el usuario debe limitar la cantidad de corrientes armónicas que generan sus receptores y debe procurar distribuir dentro de su planta con baja impedancia por metro de línea; y por otro, la compañía distribuidora debe garantizar un mínimo de potencia de cortocircuito y debe velar para que los usuarios no superen ciertos límites de distorsión, para que no perjudiquen a sus vecinos que comparten con ellos la red.

Cuando los niveles de armónicos generados por algunos receptores no son admisibles para el sistema de distribución que los alimenta, deben aplicarse filtros de corrección.

La presencia de armónicos en la red tiene varias consecuencias. Las más importantes son las siguientes:

• Deterioro de la calidad de la onda de tensión, afectando a los receptores sensibles.

• Sobrecarga y posible resonancia paralelo entre la inductancia de línea y los condensadores de compensación de factor de potencia.

• Empeoramiento del factor de potencia. La capacidad de la red para suministrar potencia se ve disminuida por ello, obligando a su sobredimensionamiento.

• Sobrecarga de cables y, sobre todo, de transformadores (aumento muy significativo de las pérdidas en el hierro).

• Problemas de disparo intempestivo de protecciones.

Para evitar estos fenómenos, las normas establecen un mínimo de calidad de suministro, que se fija limitando los niveles máximos de distorsión en la onda de tensión suministrada en el punto de acoplo a la red pública (PCC). Estos se denominan límites de compatibilidad.

La tabla ofrece un resumen de dichos límites, por lo que se refiere a armónicos en redes industriales de BT. Las distintas clases mencionadas en dicha tabla corresponden a:

- Clase 1: Entorno industrial previsto para alimentación de equipos electrónicos sensibles.

- Clase 2: Entorno industrial normal. Límites habituales para redes públicas.

- Clase 3: Entorno industrial degradado (generalmente por la presencia de convertidores). No apto para alimentación de equipos sensibles.

Los armónicos de tensión se deben a la caída de tensión que producen los armónicos de corriente sobre las impedancias de la red de distribución. Entonces, alcanzar estos límites depende de dos factores:

1. Nivel de emisión de los receptores: A mayor emisión, mayor distorsión, debida a la caída de tensión producida por las corrientes armónicas en la red.

2. Impedancia de la red: A mayor impedancia, mayor caída de tensión para el mismo valor de emisión en los receptores.