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Fundamentos de la Distorsión Armónica

Actualizado: 28 may 2021

La Distorsión Armónica Total (Total Harmonic Distorsion - THD), es una de las afectaciones a la Calidad de la Energía Eléctrica más frecuente en plantas de procesos industriales, y debe ser atendido por el equipo técnico de mantenimiento eléctrico de la planta.

El conocimiento de los fundamentos técnicos y teóricos detrás de dicha THD facilitarán al equipo su comprensión, identificar el impacto que tiene en el sistema, y poder gestionar la solución que mejor se adapte a las condiciones de la planta. A continuación presentaremos una visión general al respecto.

Generación de energía eléctrica

La generación de energía eléctrica AC se fundamenta en suministrar un voltaje cuya alternancia periódica sigue la forma de una onda sinusoidal (a una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz según la normalización vigente de cada país), es decir, la empresa suministradora de energía eléctrica entrega un voltaje alterno cuya forma de onda es sinusoidal.


Cargas Lineales

Las cargas que al aplicárseles un voltaje alterno (AC) originan la circulación de una corriente alterna cuya forma de onda es sinusoidal se les conoce como cargas lineales. Las cargas lineales son: resistivas, inductivas, capacitivas, o simplemente combinación de ellas.



Cargas No-Lineales

Las cargas que al aplicárseles un voltaje alterno (AC) originan la circulación de una corriente alterna cuya forma de onda es “no sinusoidal” se les conoce como cargas no-lineales. Ejemplo de cargas no-lineales son aquellas que involucran conmutaciones eléctricas y saturaciones magnéticas tales como: electrónica de potencia (tiristores, IGBT, SCR, diodos), Computadoras, impresoras, iluminación fluorescente y leds, hornos de arco y de inducción, soldadoras, UPS, etc. En la actualidad, con la tecnología vigente, la electrónica esta incluida en todo equipo industrial y doméstico.


Forma de onda distorsionada

Cuando la forma de onda de la corriente, o del voltaje, se aleja de la forma de onda sinusoidal decimos que la forma de onda está distorsionada, y con más exactitud que tiene contenido armónico.


Fourier y los armónicos

Jean-Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830) fue un matemático y físico francés conocido por sus trabajos sobre la descomposición de funciones periódicas en series trigonométricas convergentes llamadas Series de Fourier, método con el cual consiguió resolver la ecuación del calor. Wikipedia.



Fourier demostró que una onda periódica alternante cualquiera, onda distorsionada, es igual a: la sumatoria de una onda sinusoidal con la frecuencia del sistema, llamada onda y frecuencia fundamental, más una infinita serie de ondas sinusoidales de frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental llamadas armónicos. La sucesión de armónicos se identifica por su orden dentro de la serie: 1er orden (fundamental = f = 60 Hz), 2do orden (2xf), 3er orden (3xf), cuarto orden (4xf), y así sucesivamente hasta el infinito.


Aquí, debemos recordar que la forma de onda sinusoidal es relativamente simple para realizar las operaciones matemáticas, necesarias en redes eléctricas, y de ahí la importancia del aporte de Fourier.


Forma de onda periódica distorsionada = Componente fundamental (sinusoide a la frecuencia fundamental) + serie infinita de sinusoides con frecuencias múltiplos de la fundamental (armónicos).


Conclusión: Una señal con forma de onda distorsionada tiene contenido armónico



Armónicos

  • Los armónicos están presentes cuando se energizan cargas no-lineales

  • Los armónicos son una perturbación en los sistemas eléctricos que originan (en equipos y sistemas eléctricos) mal funcionamiento, fallos e ineficiencias, tales como:

    1. Incremento en el consumo de corriente, y de energía

    2. Aumento de la potencia aparente (S)

    3. Disminución del Factor de Potencia (fp)

    4. Sobre-calentamiento y/o fallas en los transformadores, conductores, motores, etc

    5. Disparo de Interruptores (Circuit Brakers), y protecciones

    6. Apertura de Fusibles

    7. Disparo de generadores

    8. Fallo en Capacitores

    9. Daños en tarjetas electrónicas, circuitos impresos

    10. Mal funcionamiento de automatismos con sensores sensibles y de precisión

    11. Entre otros


  • IEEE 519 2014 hace recomendaciones de niveles máximos de perturbación armónica que no es conveniente sobrepasar, más bien disminuirlos, para que los efectos negativos de los armónicos puedan reducirse minimizando sus consecuencias. El Código de Red exige el cumplimiento de estas recomendaciones mediante la “Especificación CFE L0000-45” en el punto de conexión común (PCC).

  • El correcto análisis, de cada caso particular, es necesario para definir la solución adecuada de mitigación de armónicos.

  • La medición del contenido armónico y su mitigación es de vital importancia para: la eficiencia del sistema, su calidad de energía, ahorro de energía, cumplimiento de la normatividad (Código de Red) y, con todo ello, reducción de gastos operativos.

  • La aplicación de filtros de armónicos, activos y pasivos, están disponible para la mitigación de armónicos.



Ejemplo


La figura muestra las formas de onda del voltaje aplicado v(t) a una carga no-lineal y su corriente circulante i(t)dist al igual que la corriente circulante i(t) para la misma carga si fuese lineal. Para el ejemplo se consideró que la carga solo refleja la existencia de los armónicos 5to y 7mo. La tabla muestra los valores de los armónicos 5to y 7mo y de la corriente total circulante, todos en amperios. También se muestra en la tabla los valores obtenidos del cálculo, de la distorsión armónica total en amperios (TDH) y porcentual (%TDH).





Ramón A Martínez Carrillo

Ingeniero Electricista

Konverter Engineering Group


 

Referencias:

  • Código de Red: CRE Resolución Núm. RES/151/2016

  • Especificación CFE L0000-45: Desviaciones permisibles en las formas de onda de tensión y corriente en el suministro y consumo de energía eléctrica.

  • IEEE 519 2014: IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems


 

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