Armónicos

En un circuito de CA, una resistencia se comporta exactamente de la misma manera que en un circuito de CC. Es decir, la corriente que fluye a través de la resistencia es proporcional al voltaje que la atraviesa. Esto se debe a que una resistencia es un dispositivo lineal y si el voltaje que se le aplica es una onda sinusoidal, la corriente que fluye a través de ella también es una onda sinusoidal, por lo que la diferencia de fase entre las dos sinusoides es cero.

Generalmente, cuando se trata de tensiones y corrientes alternas en circuitos eléctricos, se asume que son de forma pura y sinusoidal con un solo valor de frecuencia, llamado «frecuencia fundamental», pero no siempre es así.

En un dispositivo o circuito eléctrico o electrónico que tiene una característica de voltaje-corriente que no es lineal, es decir, la corriente que fluye a través de él no es proporcional al voltaje aplicado. Las formas de onda alternas asociadas con el dispositivo serán diferentes en mayor o menor medida a las de una forma de onda sinusoidal ideal. Estos tipos de formas de onda se denominan comúnmente formas de onda complejas o no sinusoidales.

Las formas de onda complejas son generadas por dispositivos eléctricos comunes como inductores con núcleo de hierro, transformadores de conmutación, balastos electrónicos en luces fluorescentes y otras cargas altamente inductivas, así como el voltaje de salida y formas de onda de corriente de alternadores de CA, generadores y otras máquinas eléctricas similares. El resultado es que la forma de onda de la corriente puede no ser sinusoidal aunque la forma de onda de la tensión lo sea.

También la mayoría de los circuitos de conmutación de fuentes de alimentación electrónicas, como rectificadores, rectificadores controlados por silicio (SCR), transistores de potencia, convertidores de potencia y otros interruptores de estado sólido que cortan y cortan la forma de onda sinusoidal de las fuentes de alimentación para controlar la potencia del motor o para convertir la fuente de CA sinusoidal a CC. Estos circuitos de conmutación tienden a consumir corriente sólo en los valores máximos del suministro de CA y dado que la forma de onda de la corriente de conmutación no es sinusoidal, se dice que la corriente de carga resultante contiene armónicos.

Las formas de onda complejas no sinusoidales se construyen «sumando» una serie de frecuencias de ondas sinusoidales conocidas como «Armónicos». Los armónicos es el término generalizado que se utiliza para describir la distorsión de una forma de onda sinusoidal por formas de onda de diferentes frecuencias.

Entonces, cualquiera que sea su forma, una forma de onda compleja se puede dividir matemáticamente en sus componentes individuales llamados frecuencia fundamental y una serie de «frecuencias armónicas». Pero, ¿qué entendemos por «frecuencia fundamental»?

Frecuencia fundamental

Una forma de onda fundamental (o primer armónico) es la forma de onda sinusoidal que tiene la frecuencia de suministro. La onda fundamental es la frecuencia base o más baja, ƒ sobre la que se construye la forma de onda compleja y, como tal, el tiempo periódico Τ, de la forma de onda compleja resultante será igual al tiempo periódico de la frecuencia fundamental.

Consideremos la forma de onda de CA fundamental básica o del primer armónico como se muestra.

Donde: Vmax es el valor pico en voltios y ƒ es la frecuencia de las formas de onda en hercios (Hz).

Podemos ver que una forma de onda sinusoidal es un voltaje (o corriente) alterno, que varía como una función sinusoidal del ángulo, 2πƒ. La frecuencia de las formas de onda, ƒ está determinada por el número de ciclos por segundo. En el Reino Unido, esta frecuencia fundamental se establece en 50 Hz, mientras que en los Estados Unidos es de 60 Hz.

Los armónicos son voltajes o corrientes que operan a una frecuencia que es un múltiplo entero (número entero) de la frecuencia fundamental. Entonces, dada una forma de onda fundamental de 50Hz, esto significa que una segunda frecuencia armónica sería 100Hz (2 x 50Hz), una tercera armónica sería 150Hz (3 x 50Hz), una quinta a 250Hz, una séptima a 350Hz y así sucesivamente. Asimismo, dada una forma de onda fundamental de 60 Hz, las frecuencias armónicas 2, 3, 4 y 5 estarían a 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz y 300 Hz respectivamente.

Entonces, en otras palabras, podemos decir que los “armónicos” son múltiplos de la frecuencia fundamental y, por lo tanto, se pueden expresar como: 2ƒ, 3ƒ, 4ƒ, etc. como se muestra:

Ondas complejas a causa de los armónicos

Ten en cuenta que las formas de onda rojas anteriores son las formas reales de las formas de onda como las ve una carga debido al contenido de armónicos que se agrega a la frecuencia fundamental.

La forma de onda fundamental también se puede llamar forma de onda 1ra armónica. Por lo tanto, un segundo armónico tiene una frecuencia dos veces mayor que la fundamental, el tercer armónico tiene una frecuencia tres veces mayor que la fundamental y un cuarto armónico tiene uno cuatro veces mayor que la fundamental, como se muestra en la columna del lado izquierdo.

La columna del lado derecho muestra la forma de onda compleja generada como resultado del efecto entre la adición de la forma de onda fundamental y las formas de onda armónicas en diferentes frecuencias armónicas. Tenga en cuenta que la forma de onda compleja resultante dependerá no solo del número y la amplitud de las frecuencias armónicas presentes, sino también de la relación de fase entre la frecuencia fundamental o base y las frecuencias armónicas individuales.

Podemos ver que una onda compleja se compone de una forma de onda fundamental más armónicos, cada uno con su propio valor pico y ángulo de fase. Por ejemplo, si la frecuencia fundamental se da como; E = Vmax (2πƒt), los valores de los armónicos se darán como:

Para un segundo armónico:

E2 = V2 (max)(2 * 2πƒt) = V2 (max)(4πƒt), = V2 ( max)(2ωt)

Para un tercer armónico:

E3 = V3 (max)(3 * 2πƒt) = V3 (max)(6πƒt), = V3 (max)(3ωt)

Para un cuarto armónico:

E4 = V4 (máx.)(4 * 2πƒt) = V4 (máx.)(8πƒt), = V4 (máx.)(4ωt)

Y así sucesivamente.

Entonces, la ecuación dada para el valor de una forma de onda compleja será:

Los armónicos generalmente se clasifican por su nombre y frecuencia, por ejemplo, un 2do armónico fundamental de  frecuencia 100 Hz, y también por sus secuencias. La secuencia armónica se refiere a la rotación fasorial de los voltajes y corrientes armónicos con respecto a la forma de onda fundamental en un sistema trifásico equilibrado de 4 hilos.

Un armónico de secuencia positiva (4º, 7º, 10º,…) rotaría en la misma dirección (adelante) que la frecuencia fundamental. Donde, como un armónico de secuencia negativa (2º, 5º, 8º,…) gira en la dirección opuesta (inversa) de la frecuencia fundamental.

Generalmente, los armónicos de secuencia positiva no son deseables porque son responsables del sobrecalentamiento de conductores, líneas eléctricas y transformadores debido a la adición de formas de onda.

Los armónicos de secuencia negativa, por otro lado, circulan entre las fases creando problemas adicionales con los motores, ya que la rotación del fasor opuesto debilita el campo magnético giratorio que requieren los motores, y especialmente los motores de inducción, lo que hace que produzcan menos par mecánico.

Otro conjunto de armónicos especiales llamados «triples» (múltiplos de tres) tienen una secuencia de rotación cero. Los triples son múltiplos del tercer armónico (3º, 6º, 9º,…), etc, de ahí su nombre, y por tanto están desplazados por cero grados. Los armónicos de secuencia cero circulan entre la fase y el neutro o tierra.

A diferencia de las corrientes armónicas de secuencia positiva y negativa que se cancelan entre sí, los armónicos de tercer orden o triples no se cancelan. En su lugar, suman aritméticamente en el cable neutro común que está sujeto a las corrientes de las tres fases.

El resultado es que la amplitud de la corriente en el cable neutro debido a estos armónicos triples podría ser hasta 3 veces la amplitud de la corriente de fase en la frecuencia fundamental, lo que hace que se vuelva menos eficiente y se sobrecaliente.

Luego podemos resumir los efectos de secuencia como múltiplos de la frecuencia fundamental de 50Hz como:

Secuenciación armónica

Nombre	Fund.	Segunda	Tercera	Cuarta	Quinta	Sexta	Séptima	Octava	Novena
Frecuencia, Hz	50	100	150	200	250	300	350	400	450
Secuencia	+	–	0	+	–	0	+	–	0

Nótese que la misma secuencia armónica también se aplica a 60Hz formas de onda fundamentales.

Secuencia	Rotación	Efecto armónico
+	hacia adelante	calentamiento excesivo
–	inverso	Problemas de par del motor
0	Ninguno	Agrega voltajes y / o corrientes en el cable neutro que provocan el calentamiento

Resumen de los armónicos

Los armónicos son formas de onda de frecuencia más alta superpuestas a la frecuencia fundamental, que es la frecuencia del circuito, y que son suficientes para distorsionar su forma de onda. La cantidad de distorsión aplicada a la onda fundamental dependerá completamente del tipo, cantidad y forma de los armónicos presentes.

Los armónicos sólo han existido en cantidades suficientes durante las últimas décadas desde la introducción de accionamientos electrónicos para motores, ventiladores y bombas, circuitos de conmutación de fuentes de alimentación como rectificadores, convertidores de potencia y controladores de potencia de tiristores, así como la mayoría de controles de fase electrónicos no lineales. cargas y luces fluorescentes de alta frecuencia (ahorro de energía). Esto se debe principalmente al hecho de que la corriente controlada consumida por la carga no sigue fielmente las formas de onda de suministro sinusoidal como en el caso de los rectificadores o circuitos de conmutación de semiconductores de potencia.

Los armónicos en el sistema de distribución de energía eléctrica se combinan con el suministro de frecuencia fundamental (50 Hz o 60 Hz) para crear una distorsión de las formas de onda de voltaje y/o corriente. Esta distorsión crea una forma de onda compleja formada por una serie de frecuencias armónicas que pueden tener un efecto adverso en los equipos eléctricos y las líneas eléctricas.La cantidad de distorsión de forma de onda presente que le da a una forma de onda compleja su forma distintiva está directamente relacionada con las frecuencias y magnitudes de los componentes armónicos más dominantes cuya frecuencia armónica es múltiplos (enteros enteros) de la frecuencia fundamental. Los componentes armónicos más dominantes son los armónicos de orden bajo del 2º al 19º, siendo los triples los peores.