Fenómenos armónicos en sistemas eléctricos: causas, efectos y riesgos

Armoníason un fenómeno crítico pero a menudo pasado por alto en los sistemas eléctricos. Representan distorsiones de la forma de onda sinusoidal ideal de voltaje o corriente, que ocurren a frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental (por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz). Si bien los armónicos son inherentes a los sistemas de energía modernos, su presencia incontrolada puede conducir a graves consecuencias operativas y financieras. Este artículo explorará sus causas, efectos y riesgos.

¿Qué causa los armónicos?

ArmoníaPrincipalmente originado a partir de cargas no lineales, dispositivos donde la corriente no se alinea con la forma de onda de voltaje sinusoidal. Los ejemplos comunes incluyen:

Unidades de frecuencia variables (VFD) en motores industriales, alimentación en modo de interruptor (por ejemplo, computadoras, servidores, iluminación LED), inversores de energía renovable (sistemas solares/eólicos), alimentación ininterrumpible (UPS) y estaciones de carga de vehículos eléctricos. Estas cargas interrumpen el flujo suave de la corriente, produciendo formas de onda distorsionadas. Por ejemplo, un VFD puede dibujar la corriente en pulsos cortos en lugar de una onda sinusoidal continua, lo que resulta en armónicos como los armónicos 3rd (150 Hz), 5º (250 Hz) o 7º (350 Hz).

¿Cuáles son los efectos de los armónicos?  

Los armónicos degradan la calidad de la potencia e imponen costos ocultos significativos en la infraestructura de energía:  

Los armónicos causan pérdidas de energía y mayores costos. Por ejemplo, las corrientes armónicas de quinto orden pueden dar como resultado un 15% de residuos de energía adicionales en los sistemas de distribución (Departamento de Investigación de Energía de los EE. UU.). Esta ineficiencia puede conducir a mayores facturas de electricidad.  

Puede causar daños en el equipo y una vida útil reducida, ya que las corrientes armónicas generan corrientes remolinos y pérdidas de histéresis, lo que lleva a un sobrecalentamiento. Los transformadores que operan en entornos de alto armónico pueden fallar 30-50% más rápido que su vida útil nominal. Además, los armónicos pueden causar resonancia, lo que lleva a una sobrecarga de condensadores y posibles explosiones o incendios. Además, en los sistemas trifásicos, los armónicos de tercer orden (tercero, noveno, etc.) se acumulan en la línea neutral, lo que puede hacer que se sobrecaliente.  

Los armónicos también pueden causar interrupciones operativas, particularmente en equipos confidenciales, como dispositivos médicos, instrumentos de laboratorio o servidores de centros de datos que dependen de la energía limpia. La distorsión de voltaje causada por los armónicos puede provocar falla del equipo, corrupción de datos o tiempo de inactividad no planificado.

Los riesgos de cumplimiento y seguridad asociados con los armónicos también son críticos. Exceder los límites armónicos especificados en estándares como IEEE 519-2022 puede dar como resultado multas regulatorias. Además, el sobrecalentamiento del equipo puede crear riesgos de incendio y riesgos de seguridad.

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