Armónicos eléctricos: cuando la corriente deja de parecer una senoide
Cuando enchufamos un móvil, encendemos un ordenador o ponemos en marcha un aire acondicionado, rara vez pensamos en la forma de la electricidad que circula por los cables. Sin embargo, tanto la tensión como la corriente pueden representarse mediante ondas. Y cuando aparecen los armónicos eléctricos, la corriente puede dejar de parecerse a la curva suave y regular que esperaríamos encontrar.
El nombre suena bastante más complicado que el fenómeno. Para comprenderlo desde un nivel básico no necesitamos empezar con fórmulas, series de Fourier o normas técnicas. Basta con imaginar una ola perfecta y observar qué ocurre cuando añadimos otras ondas más pequeñas.
Armónicos eléctricos: empecemos por una ola perfecta
La electricidad que utilizamos en nuestras viviendas funciona con corriente alterna. Esto significa que la tensión cambia periódicamente de sentido y que la corriente, dependiendo de la carga conectada, sigue también un comportamiento alterno.
En España y en buena parte de Europa, la frecuencia fundamental de la red es de 50 hercios (Hz). Dicho de forma sencilla, la onda completa 50 ciclos cada segundo.
Si pudiéramos observar una onda eléctrica ideal en una pantalla, veríamos una curva suave y perfectamente ordenada. Primero sube, alcanza un máximo, baja, pasa por cero, continúa hasta un mínimo y comienza de nuevo.
Esa forma recibe el nombre de onda senoidal o senoide. Podemos imaginarla como una sucesión de olas idénticas avanzando por un mar tranquilo.
Entonces, ¿qué son los armónicos eléctricos?
Pensemos ahora en un estanque. Lanzamos una piedra y aparece una onda que se extiende por la superficie.
Mientras esa onda avanza, otras personas lanzan piedras más pequeñas. Aparecen nuevas ondas, con ritmos diferentes, que se superponen a la primera. La superficie del agua ya no presenta aquella forma inicial tan limpia.
Con los armónicos eléctricos ocurre algo parecido.
La red trabaja con una frecuencia fundamental de 50 Hz, pero determinados equipos pueden provocar corrientes con componentes de frecuencias superiores. Algunas aparecen a 100, 150, 200 o 250 Hz.
Esas frecuencias son múltiplos de la fundamental:
- segundo armónico: 100 Hz;
- tercer armónico: 150 Hz;
- cuarto armónico: 200 Hz;
- quinto armónico: 250 Hz.
No merece la pena memorizar estos números para entender el concepto. Lo importante es quedarse con una idea: sobre la onda fundamental aparecen otras componentes que modifican su forma.
¿Por qué la corriente deja de parecer una senoide?
Muchos aparatos eléctricos tradicionales, como una resistencia sencilla, pueden absorber corriente de una forma bastante parecida a la tensión que reciben. Otros equipos no se comportan así.
Una gran cantidad de dispositivos electrónicos actuales incorporan rectificadores, fuentes de alimentación, convertidores o sistemas de control. Estos equipos pueden absorber corriente mediante pulsos en determinados momentos de la onda.
El resultado es fácil de imaginar. La corriente ya no sube y baja suavemente siguiendo una senoide, sino que presenta una forma más irregular.
Podemos compararlo con el tráfico de una carretera. Supongamos que durante una hora pasan 600 coches distribuidos de manera bastante uniforme. El tráfico será muy diferente si esos mismos 600 coches circulan agrupados en grandes bloques, con intervalos casi vacíos entre ellos.
El número de vehículos puede ser parecido, pero su distribución en el tiempo ha cambiado por completo. Algo similar sucede cuando una carga electrónica absorbe corriente de manera no lineal.
¿Qué equipos pueden generar armónicos?
Los encontramos prácticamente en todas partes. Ordenadores, televisores, iluminación LED, cargadores de móviles, variadores de velocidad y fuentes de alimentación utilizan electrónica de potencia.
También aparece esta tecnología en instalaciones mucho mayores. Los sistemas fotovoltaicos necesitan inversores, los vehículos eléctricos utilizan cargadores electrónicos y las baterías se conectan a la red mediante convertidores.
Esto no significa que sean equipos problemáticos ni que debamos evitar su utilización. Significa que el sistema eléctrico actual es mucho más electrónico que el de hace unas décadas y que su comportamiento debe ser tenido en cuenta desde el diseño.
En Canarias Sostenible lo hemos visto al analizar el [proyecto fotovoltaico del ITER y su sistema de almacenamiento], donde inversores, convertidores y sistemas de control tienen un papel central en el funcionamiento de la instalación. Proyecto fotovoltaico ITER: auditoría técnica
¿Por qué los armónicos eléctricos pueden ser un problema?
La presencia de armónicos no significa que una instalación esté funcionando mal. Los sistemas eléctricos modernos conviven con ellos y existen criterios de diseño, medida y limitación para mantenerlos dentro de valores aceptables.
El problema surge cuando la distorsión alcanza niveles elevados. Entonces pueden aumentar las pérdidas, aparecer calentamientos y producirse comportamientos no deseados en algunos equipos.
Más calentamiento y más pérdidas
Las corrientes armónicas pueden aumentar las pérdidas en cables, transformadores, motores y otros elementos de una instalación. Parte de la energía acaba transformándose en calor sin producir ningún trabajo útil.
El efecto dependerá de la instalación, de las frecuencias presentes y del nivel de distorsión. No todos los armónicos afectan de la misma manera ni todos los equipos responden igual.
Transformadores y conductores también los sufren
Los transformadores pueden presentar pérdidas adicionales cuando alimentan cargas con elevada distorsión armónica. En determinadas instalaciones también puede aumentar la corriente que circula por algunos conductores.
Schneider Electric resume entre los posibles efectos de una distorsión armónica elevada el sobrecalentamiento de transformadores y conductores, pérdidas adicionales y disparos intempestivos de protecciones. Explicación técnica de Schneider Electric sobre distorsión armónica
Algunos equipos pueden comportarse de forma anormal
Una mala calidad de onda puede afectar a ciertos equipos sensibles. Dependiendo de cada caso, pueden aparecer errores, vibraciones, calentamientos o actuaciones no deseadas de las protecciones.
Por eso hablar de calidad eléctrica significa algo más que comprobar si existe tensión en un enchufe. También importa la forma de esa tensión y de la corriente que circula por la instalación.
¿Podemos ver los armónicos?
Sí. Un analizador de calidad de energía permite observar la forma de onda y estudiar las diferentes frecuencias que contiene.
Si medimos una corriente prácticamente senoidal, veremos una curva limpia. Si existe una distorsión importante, la forma cambia y puede aparecer achatada, puntiaguda o llena de irregularidades.
Los analizadores también pueden separar las distintas componentes armónicas. De esa forma sabemos qué parte corresponde a los 50 Hz fundamentales y qué otras frecuencias están presentes.
La norma internacional IEC 61000-4-30 establece métodos para medir parámetros de calidad de suministro. Entre ellos incluye expresamente los armónicos de tensión, los armónicos de corriente y los interarmónicos. IEC 61000-4-30 sobre calidad de suministro eléctrico
THD: una forma de medir la distorsión
Cuando comenzamos a hablar de armónicos aparece pronto una sigla: THD, procedente de Total Harmonic Distortion o distorsión armónica total.
Para esta explicación no necesitamos utilizar su fórmula. Podemos entenderla como un indicador que permite valorar el peso de los armónicos respecto a la componente fundamental.
Cuanto mayor sea esa distorsión, más se habrá apartado la onda de su comportamiento senoidal. La THD puede calcularse tanto para tensión como para corriente y es una de las referencias utilizadas al estudiar la calidad eléctrica.
¿Qué tienen que ver los armónicos eléctricos con las renovables?
Un panel fotovoltaico genera electricidad en corriente continua. Para entregar esa energía a una red de corriente alterna necesita un inversor.
Los aerogeneradores modernos también utilizan electrónica de potencia. Lo mismo sucede con los sistemas de almacenamiento mediante baterías y con otros recursos que necesitamos para avanzar hacia un sistema eléctrico renovable.
Esto no convierte a las energías renovables en una fuente inevitable de problemas armónicos. Los inversores modernos incorporan controles y filtros, y los equipos deben cumplir requisitos técnicos destinados a mantener la calidad de la energía.
Sí cambia, en cambio, la forma en la que debemos pensar las redes eléctricas. Cuantos más convertidores conectamos, mayor importancia adquieren el diseño de esos equipos, su comportamiento conjunto y los estudios de calidad eléctrica.
Ya hemos hablado en Canarias Sostenible de esta transformación al analizar cómo los [inversores y las baterías pueden participar en el control de tensión de los sistemas eléctricos canarios]. Los mismos dispositivos que convierten y controlan la energía también están modificando profundamente la manera en la que operamos las redes. Control de tensión: la regulación que Canarias necesita
De grandes máquinas a millones de dispositivos electrónicos
Durante buena parte del siglo XX, los sistemas eléctricos estuvieron dominados por grandes alternadores, motores y transformadores. La electrónica existía, pero no tenía la presencia que tiene hoy.
Ahora encontramos inversores fotovoltaicos, baterías, cargadores de vehículos eléctricos, variadores y fuentes electrónicas repartidos por toda la red. La transición energética acelerará esta transformación porque necesitamos electrificar consumos y sustituir progresivamente los combustibles fósiles por fuentes renovables.
En Canarias esta evolución merece una atención especial. Trabajamos con sistemas eléctricos de dimensiones reducidas, algunos interconectados entre islas y otros todavía completamente aislados. Su comportamiento puede ser más sensible a determinados cambios que el de una gran red continental.
Por eso hemos insistido tantas veces en que instalar renovables es imprescindible, pero integrarlas correctamente resulta igual de importante. Cuando analizamos los [parámetros eléctricos de Canarias] vemos que la transición no consiste únicamente en sumar megavatios renovables, sino en construir sistemas capaces de utilizarlos con seguridad y calidad. Parámetros eléctricos de Canarias: cuatro meses que dicen mucho
Armónicos eléctricos: una imagen para recordarlos
Podemos olvidar los nombres de los distintos armónicos y seguir habiendo entendido lo importante. Pensemos otra vez en aquella primera onda suave avanzando por un estanque.
Si añadimos otras ondas de diferentes frecuencias, la forma resultante cambia. En una instalación eléctrica sucede algo parecido: determinadas cargas generan componentes armónicas y la corriente deja de parecerse a una senoide perfecta.
Los armónicos eléctricos no son una rareza reservada a laboratorios o grandes industrias. Forman parte del sistema eléctrico que estamos construyendo, cada vez más electrificado y con mucha más electrónica de potencia.
La transición energética exige abandonar los combustibles fósiles y sustituirlos por energías renovables. También nos obliga a conocer mejor la electricidad que utilizamos, porque no basta con producirla sin emisiones: necesitamos transportarla, convertirla y consumirla manteniendo la seguridad y la calidad del sistema eléctrico.
Y quizá esa sea la parte más interesante de todo esto. Detrás del gesto cotidiano de conectar un cargador existe un mundo eléctrico bastante más complejo de lo que aparenta.
Álvaro Medina
Seudónimo editorial de la persona responsable de Canarias Sostenible.
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