La importancia de la mitigación de armónicos para la calidad de energía
Jul 30,2026
I. Generación de armónicos
En los sistemas eléctricos, la causa fundamental de los armónicos es la presencia de cargas no lineales. Cuando la corriente fluye a través de una carga y no mantiene una relación lineal con la tensión aplicada, se forma una corriente no sinusoidal, lo que provoca la generación de armónicos dentro del circuito. Debido a las operaciones de conmutación de los tiristores semiconductores y a las características no lineales de los diodos y tiristores, las formas de onda de ciertos equipos del sistema eléctricot—como los convertidores de potencia— se desvían significativamente de una onda sinusoidal pura.
1. Red eléctrica y equipos de suministro eléctrico
En los sistemas eléctricos, la causa fundamental de los armónicos es la presencia de cargas no lineales. Cuando la corriente fluye a través de una carga y no mantiene una relación lineal con la tensión aplicada, se forma una corriente no sinusoidal, lo que provoca la generación de armónicos dentro del circuito. En cuanto a los generadores, debido a factores como la dificultad de lograr una simetría absoluta en los devanados trifásicos y una uniformidad perfecta en el núcleo de hierro, se generan inevitablemente algunos armónicos, aunque generalmente en pequeñas cantidades. En los sistemas de transmisión y distribución, los transformadores de potencia son la principal fuente de armónicos. Debido a la saturación del núcleo y a la no linealidad de la curva de magnetización, combinadas con consideraciones de diseño económico que sitúan la densidad de flujo magnético de operación cerca de la región de saturación de la curva, la corriente de magnetización adopta una forma de onda puntiaguda, que contiene armónicos de orden impar. La magnitud de estos armónicos depende de la estructura del circuito magnético y del grado de saturación del núcleo; cuanto mayor sea el nivel de saturación y cuanto más se aleje el punto de operación de la linealidad, mayor será la corriente armónica (con la corriente armónica de tercer orden alcanzando hasta el 0,5% de la corriente nominal).
2. Equipos consumidores de energía
(1) Equipos rectificadores con tiristores: A medida que la rectificación mediante tiristores se aplica cada vez más ampliamente en áreas como locomotoras eléctricas, celdas electrolíticas de aluminio, dispositivos de carga y fuentes de alimentación conmutadas, introduce un contenido significativo de armónicos en la red eléctrica. (2) Dispositivos de accionamiento de frecuencia variable (VFD): Se utilizan comúnmente en equipos como ventiladores, bombas y ascensores. Debido al uso del control de fase, su composición armónica es compleja e incluye no solo armónicos de orden entero, sino también armónicos de orden fraccionario. Estos dispositivos generalmente tienen potencias nominales elevadas y, a medida que aumenta su uso, también aumenta la contaminación armónica inyectada en la red eléctrica.
(3) Hornos de arco eléctrico y hornos de carburo de calcio: Durante el calentamiento de las materias primas, los electrodos trifásicos del horno tienen dificultades para hacer contacto simultáneamente con la carga irregular del horno. Esto provoca una combustión inestable y un desequilibrio de carga trifásico, generando corrientes armónicas que se inyectan en la red a través de los devanados conectados en delta del transformador. Estos armónicos son principalmente de los órdenes 2 al 7, con un promedio del 8%–20% de la frecuencia fundamental y picos que alcanzan hasta el 45%.
(4) Fuentes luminosas de descarga de gas: Las lámparas fluorescentes, lámparas de mercurio de alta presión, lámparas de sodio de alta presión y lámparas de halogenuros metálicos pertenecen a esta categoría. El análisis y la medición de sus características tensión-corriente (V-I) revelan una fuerte no linealidad; algunas incluso presentan características de resistencia diferencial negativa. Inyectan corrientes armónicas de orden impar en la red eléctrica.
(5) Electrodomésticos: Dispositivos como televisores, grabadoras de vídeo, computadoras, iluminación regulable y aparatos de cocina con control de temperatura contienen circuitos reguladores de tensión y rectificadores que generan una cantidad significativa de armónicos de orden impar. En aparatos con devanados, como lavadoras, ventiladores eléctricos y aires acondicionados, las fluctuaciones de corrientes desequilibradas también pueden distorsionar la forma de onda. Aunque el consumo individual de energía es bajo, el gran volumen de estos aparatos los convierte en una fuente importante de armónicos.
II. Efectos perjudiciales de los armónicos
1、Aumento de los costos operativos de energía para las empresas
Dado que los armónicos no se disipan naturalmente sin medidas de mitigación, grandes cantidades de tensión y corriente armónicas circulan y se acumulan dentro de la red. Esto provoca un aumento de las pérdidas en las líneas y el sobrecalentamiento de los equipos eléctricos, elevando así los costos operativos de energía y los gastos de electricidad.
2、Reducción de la fiabilidad del suministro eléctrico
En muchos casos, las tensiones armónicas hacen que la forma de onda sinusoidal se vuelva más puntiaguda. Esto no solo aumenta las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en equipos eléctricos como transformadores y condensadores, sino que también somete a los materiales aislantes a mayores esfuerzos eléctricos. Las corrientes armónicas aumentan las pérdidas en el cobre de los transformadores; por consiguiente, bajo cargas armónicas elevadas, los transformadores experimentan sobrecalentamiento localizado y mayor ruido. Esto acelera el envejecimiento del aislamiento, acorta considerablemente la vida útil de transformadores y motores, reduce la fiabilidad del suministro eléctrico y crea un alto riesgo de cortes de energía durante la producción.
3. Provocación de accidentes en el suministro eléctrico
Las redes eléctricas contienen numerosas fuentes de armónicos (como accionamientos de frecuencia variable o rectificadores) junto con cargas como condensadores de potencia, transformadores, cables y motores. Estos dispositivos eléctricos están sujetos a cambios operativos frecuentes, lo que los hace muy susceptibles a formar condiciones de resonancia en serie o en paralelo. Cuando los parámetros de la red coinciden desfavorablemente, pueden producirse oscilaciones armónicas en frecuencias específicas, generando sobretensiones o sobrecorrientes que ponen en peligro el funcionamiento seguro del sistema eléctrico; sin medidas de mitigación, esto puede provocar fácilmente accidentes de transmisión y distribución.
4. Causar fallos en los equipos
En generadores y motores giratorios, las corrientes o tensiones armónicas inducen pérdidas adicionales en los devanados del estator, los circuitos del rotor y los núcleos de hierro, reduciendo así la eficiencia de los equipos de generación, transmisión y utilización de energía. Más críticamente, las oscilaciones armónicas pueden inducir un par oscilatorio en los generadores de turbinas de vapor, pudiendo activar resonancia mecánica; esto puede causar torsión y ciclos de fatiga en las palas de la turbina, haciendo que el equipo no pueda funcionar normalmente.
5. Interferir con el funcionamiento normal de los sistemas de comunicación
Cuando las líneas de transmisión funcionan en paralelo o muy cerca de las líneas de comunicación, la inducción electrostática y electromagnética crea un acoplamiento de campos eléctricos y magnéticos. Los componentes armónicos generan interferencias de frecuencia audible dentro del sistema de comunicación, degradando la calidad de transmisión de la señal e interrumpiendo el flujo normal de señales. Esto no solo afecta la claridad de las llamadas, sino que en casos graves supone una amenaza tanto para los equipos de comunicación como para la seguridad personal.
7. Reducción de la calidad del producto
La presencia persistente de armónicos aumenta la vibración en equipos como motores, lo que provoca mayores errores de producción, menor precisión de mecanizado y, en última instancia, una menor calidad del producto.
III. Enfoques y métodos para la mitigación de armónicos
1. Enfoques para la mitigación de armónicos
(1) Mitigación centralizada: Se instalan filtros en la barra colectora de baja tensión o en los circuitos derivados que alimentan cargas generadoras de armónicos para proporcionar una mitigación unificada.
(2) Mitigación distribuida (en el punto de carga): La mitigación se aplica directamente en las líneas de alimentación de las cargas generadoras de armónicos. Este enfoque se dirige a equipos específicos, abordando los armónicos exactamente donde se originan.
2. Métodos de mitigación de armónicos
(1) Filtros pasivos
Un filtro serie LC, compuesto por un inductor y un condensador conectados en serie, presenta un punto de resonancia en serie con una impedancia muy baja. Al diseñar un filtro serie con un punto de resonancia ajustado a la frecuencia de la línea eléctrica y conectarlo en serie dentro del circuito, se pueden filtrar todos los armónicos.
(2) Filtros activos
Un Filtro Activo de Potencia (APF) es un dispositivo electrónico de potencia moderno utilizado para la supresión dinámica de armónicos y la compensación de potencia reactiva. Es capaz de compensar los armónicos y la potencia reactiva que varían tanto en magnitud como en frecuencia. El uso de filtros activos mejora la estabilidad de los sistemas de comunicación y distribución de energía, prolonga la vida útil de los equipos de comunicación y eléctricos, y garantiza que los sistemas de distribución de energía cumplan con los estándares de diseño relacionados con los entornos armónicos.
