Distorsión armónica total (THD) en los sistemas de energía de la industria manufacturera

Distorsión Armónica Total (THD) es una medida de cuánto se desvía una forma de onda de tensión o corriente de una onda sinusoidal pura, expresada como un porcentaje del fundamental.

En el piso de una planta lleno de variadores de frecuencia (VFD), soldadores y fuentes de alimentación conmutadas, la THD no es un número académico. Se manifiesta en motores que funcionan calientes a carga nominal, transformadores con capacidad reducida por debajo de la placa de características e interruptores que se disparan sin una sobrecarga evidente.

Qué mide realmente la THD

Toda forma de onda de CA puede descomponerse en una frecuencia fundamental (50 o 60 Hz) más una serie de armónicos en múltiplos enteros de ese fundamental (2.º, 3.º, 5.º, 7.º, etc.).

La THD es la relación entre el valor eficaz (RMS) combinado de todos los componentes armónicos y el valor eficaz del fundamental, expresada como porcentaje. Una onda sinusoidal perfecta tiene 0% de THD. Las compañías eléctricas e ingenieros de planta controlan dos cifras relacionadas pero distintas:

• THD de tensión (THDv), la distorsión de la forma de onda de tensión en un punto dado.
• TDD de corriente (Total Demand Distortion), la distorsión armónica de corriente medida respecto a la corriente máxima de demanda en lugar del fundamental instantáneo, lo que evita que circuitos con poca carga muestren porcentajes artificialmente altos.

Cómo los VFD y las cargas no lineales generan armónicos

Un variador de frecuencia estándar no toma corriente en una onda sinusoidal suave. Su rectificador de entrada carga un banco de condensadores del bus de CC, y la corriente solo fluye desde la red de CA en pulsos cortos cerca de las crestas de cada semiciclo, cuando la tensión entrante excede la tensión del condensador. Esa extracción pulsada es una carga no lineal típica.

Para el rectificador común de seis pulsos en tres fases del VFD, este pulsado produce armónicos característicos de orden h = 6n ± 1, es decir el 5.º, 7.º, 11.º, 13.º, y así sucesivamente.

En la práctica el 5.º armónico suele ser el mayor contribuyente, comúnmente en el rango del 25 al 40% de la corriente fundamental, con el 7.º típicamente alrededor del 15 al 25%.

Combinados, un variador de seis pulsos sin mitigación puede presentar THD de corriente en cualquier rango aproximadamente entre el 35% y el 80%, dependiendo de la carga del variador, la impedancia de la fuente y el diseño del bus de CC.

Otras cargas no lineales comunes en una planta, como fuentes de alimentación conmutadas, soldadoras por arco y balastos electrónicos, contribuyen el mismo tipo de distorsión de armónicos impares, por lo que la THD en una instalación moderna rara vez es causada por una sola máquina.

IEEE 519: los límites de tensión y corriente

IEEE 519 es la práctica estándar que la mayoría de las compañías eléctricas y las especificaciones de ingeniería citan para el control de armónicos. Establece límites separados para la distorsión de tensión (una medida de calidad a nivel de sistema) y la distorsión de corriente (lo que se permite que inyecte un cliente individual en el punto de conexión común, o PCC).

Para la corriente, IEEE 519 usa TDD en lugar de una simple THD, y el porcentaje permitido escala con la relación de la corriente de cortocircuito disponible respecto a la corriente máxima de demanda (Isc/IL) en el PCC: una conexión más fuerte obtiene más margen.

Para el caso industrial más común, una relación Isc/IL inferior a 20, la norma limita la TDD de corriente al 5,0%, con límites más estrictos para órdenes armónicas individuales agrupadas en 3.º a 9.º, 11.º a 15.º, 17.º a 21.º, 23.º a 33.º y 35.º a 50.º.

La conclusión práctica para un ingeniero de planta: la cifra de 5% de THD de tensión y la cifra de 5% de TDD son los dos números que realmente comprobará una compañía eléctrica o un consultor.

Por qué esto importa para motores y transformadores

Las tensiones y corrientes armónicas causan daño térmico y mecánico real con el tiempo.

• Motores sufren calentamiento adicional por corrientes armónicas que no realizan trabajo útil pero sí generan pérdidas I²R en los devanados del estator, además de pulsaciones de par e incremento de vibración por campos magnéticos inducidos por armónicos. La exposición sostenida acorta la vida del aislamiento y puede llevar a un motor hacia los modos de fallo descritos en la guía de clases de aislamiento de motores y el análisis de fallos de rodamientos.
• Transformadores sufren un aumento de pérdidas por corrientes de Foucault y pérdidas parásitas porque esas pérdidas aumentan con el cuadrado de la frecuencia armónica. Un transformador que alimenta una carga no lineal pesada a menudo necesita ser degradado por debajo de su potencia nominal para onda sinusoidal, o ser reemplazado por una unidad con clasificación K diseñada para servicio con armónicos, para evitar que funcione más caliente de lo que permite su sistema de aislamiento.
• Efecto piel empuja las corrientes armónicas de mayor frecuencia hacia la superficie exterior de un conductor, reduciendo la sección transversal efectiva que realmente conduce corriente y añadiendo calentamiento adicional I²R en cables y, especialmente, en conductores neutros compartidos que transportan armónicos triplos de cargas monofásicas no lineales.

Disparos intempestivos y otros síntomas

Los armónicos también causan problemas que parecen no mostrar nada anómalo en los registros. Los interruptores y fusibles detectan la corriente pico o RMS, y una forma de onda distorsionada con pulsos de corriente agudos puede disparar un interruptor aunque la carga promedio o la carga nominal esté muy por debajo de la capacidad.

Los condensadores de corrección del factor de potencia están especialmente expuestos: su impedancia baja al aumentar la frecuencia, por lo que pueden absorber corriente armónica desproporcionada y, en el peor de los casos, resonar con la inductancia del sistema a una frecuencia armónica, amplificando la distorsión en lugar de corregirla.

Síntomas que conviene relacionar con una causa raíz de THD incluyen disparos inexplicables de interruptores, fallos de fusibles en bancos de condensadores, temperaturas elevadas en conductores neutros y motores que funcionan calientes a pesar de lecturas de carga normales

algunos de los mismos patrones de estrés eléctrico que aparecen en condiciones de pérdida de fase y problemas generales de calidad de la energía en la fabricación .

Mitigación: reactores, filtros y topología de variador

La mitigación de armónicos se elige según qué tan lejos esté una instalación de su objetivo; no hay una solución única.

• Reactores de línea (típicamente 3% o 5% de impedancia) son la solución más sencilla y económica. Añadir impedancia en serie antes del VFD suaviza los pulsos de corriente y comúnmente reduce la THD de corriente desde el rango del 80% hasta aproximadamente 30, 40%, a menudo suficiente para acercar un único variador al cumplimiento y reducir el calentamiento y los disparos molestos.
• Reactores de bus de CC logran un efecto de suavizado similar internamente en el variador y son comunes como opción estándar o de bajo coste en variadores modernos.
• Filtros armónicos pasivos (trampas sintonizadas) atacan armónicos problemáticos específicos, típicamente el 5.º, y pueden reducir la distorsión más que un reactor solo, aunque deben dimensionarse con cuidado para evitar desplazar un punto de resonancia.
• Variadores multipulsos (configuraciones de rectificador de 12 o 18 pulsos) cancelan órdenes armónicas específicas mediante transformadores de desplazamiento de fase. Un variador de 12 pulsos normalmente reduce la distorsión de corriente a aproximadamente 10%. Un variador de 18 pulsos suele especificarse para conseguir cerca del 5% de distorsión de corriente, aunque las mediciones de campo a menudo se sitúan más cerca del 8, 10% una vez que se tienen en cuenta las condiciones reales de carga y fuente.
• Filtros armónicos activos inyectan una forma de onda que cancela en tiempo real y pueden llevar un alimentador o toda la instalación por debajo del límite TDD de IEEE 519 independientemente de cuántos variadores se añadan después, a un coste superior al de las opciones pasivas.

La solución adecuada depende de si el objetivo es proteger un variador de disparos autoinducidos o llevar el PCC de toda la instalación al cumplimiento de IEEE 519 para un acuerdo de interconexión con la compañía eléctrica.

Detectar daños causados por armónicos antes de que se conviertan en fallos

La THD es invisible en un amperímetro estándar, que es precisamente por lo que causa tantos fallos inexplicables en motores y transformadores.

Las firmas de vibración y térmicas por calentamiento relacionado con armónicos y pulsaciones de par suelen aparecer mucho antes de que un devanado o un rodamiento falle realmente, la misma ventana de advertencia temprana que se aborda en termografía frente a análisis de vibraciones .

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es un buen nivel de THD en una planta de fabricación?

Según IEEE 519, la THD de tensión en el punto de conexión común debe mantenerse en o por debajo del 5% para sistemas hasta 69 kV, y la TDD de corriente debe mantenerse en o por debajo del 5% para las relaciones de cortocircuito industriales más comunes. Instalaciones individuales o acuerdos de interconexión con la compañía eléctrica pueden establecer límites más estrictos.

¿La THD es lo mismo que la TDD?

No. La THD se usa generalmente para la tensión y expresa el contenido armónico relativo al valor del fundamental en el momento de la medición. La TDD (Total Demand Distortion) se usa para la corriente y expresa el contenido armónico respecto a la corriente máxima de demanda, lo que mantiene la métrica estable incluso cuando un variador funciona con carga parcial.

¿Producen todos los VFD la misma cantidad de distorsión armónica?

No. Un variador estándar de seis pulsos sin mitigación puede presentar THD de corriente desde aproximadamente el 35% hasta el 80%. Añadir un reactor de línea típicamente reduce eso al rango del 30, 40%, mientras que diseños de 12 pulsos, 18 pulsos o frontales activos pueden lograr valores sustancialmente menores.

¿Pueden los armónicos dañar el equipo incluso si la planta nunca pierde energía?

Sí. El calentamiento provocado por armónicos en motores y transformadores, junto con disparos intempestivos de interruptores y estrés en bancos de condensadores, es un modo de fallo lento y acumulativo. El equipo puede funcionar durante meses perdiendo silenciosamente vida de aislamiento antes de que se produzca una falla total.