Los variadores de frecuencia permiten ajustar la velocidad de molinos, bombas de relaves, ventiladores y refinadores a la demanda del proceso. Su etapa de entrada, sin embargo, es una carga no lineal que absorbe corriente en pulsos. En plantas de proceso, donde los accionamientos pueden representar una fracción relevante de la demanda, la gestión de los armónicos es parte del diseño eléctrico y no un ajuste posterior. Este artículo revisa su origen, cómo se cuantifican, qué exigen las normas y qué tecnologías permiten controlarlos.
Origen de los armónicos en el rectificador
Como se describe en el artículo sobre el principio de funcionamiento del variador, la mayoría de los convertidores de baja tensión rectifica la red mediante un puente de diodos que carga el condensador del bus de continua (DC link). Cada diodo conduce solo cuando la tensión de red supera la del bus, por lo que la corriente de línea adopta la forma de pulsos estrechos.
Para un rectificador de p pulsos, los armónicos característicos responden a la relación h = k·p ± 1, con k = 1, 2, 3… [1]. En términos prácticos:
- Rectificador de 6 pulsos: órdenes 5, 7, 11, 13, 17, 19…
- Rectificador de 12 pulsos: órdenes 11, 13, 23, 25… (el 5.º y el 7.º se cancelan idealmente).
- Rectificador de 18 pulsos: órdenes 17, 19, 35, 37…
En el caso ideal, la amplitud de cada armónico es aproximadamente inversa a su orden (Ih ≈ I1/h) [2]. En la práctica, el 5.º y el 7.º dominan el espectro de un rectificador de 6 pulsos.
Magnitudes clave: THD, TDD, PCC e Isc/IL
La norma IEEE 519-2022 [3] establece el marco de evaluación más utilizado en plantas industriales:
- Distorsión armónica total de tensión (THDv, Total Harmonic Distortion): valor eficaz de los armónicos de tensión expresado en porcentaje de la componente fundamental.
- Distorsión total de demanda (TDD, Total Demand Distortion): valor eficaz de las corrientes armónicas expresado en porcentaje de la corriente de demanda máxima IL. A diferencia del THDi, no se infla a carga parcial, cuando la fundamental es pequeña.
- Punto de acoplamiento común (PCC, Point of Common Coupling): punto de la red donde se evalúa la interacción entre la instalación y otros usuarios.
- Relación Isc/IL: cociente entre la corriente de cortocircuito máxima en el PCC y la corriente de demanda máxima de la instalación. Una red robusta admite mayor emisión de corriente armónica.
La edición 2022 limita el THDv en el PCC a 8 % para tensiones de hasta 1 kV y a 5 % entre 1 kV y 69 kV, con límites individuales de 5 % y 3 %, respectivamente [3]. Los límites de corriente se escalonan según Isc/IL; la tabla siguiente resume el TDD admisible para sistemas de 120 V a 69 kV.
| Isc/IL | TDD máximo |
|---|---|
| < 20 | 5,0 % |
| 20 a < 50 | 8,0 % |
| 50 a < 100 | 12,0 % |
| 100 a < 1000 | 15,0 % |
| > 1000 | 20,0 % |
La evaluación es estadística: se comparan percentiles semanales y diarios de mediciones en intervalos de 10 minutos y de 3 segundos con los límites [3].
Efectos sobre la instalación
- Calentamiento de transformadores y cables. Las corrientes armónicas incrementan las pérdidas por corrientes parásitas, que crecen aproximadamente con el cuadrado del orden armónico. La práctica recomendada IEEE C57.110 [4] entrega el método del factor de pérdidas armónicas (F_HL), afín al concepto de factor K, para evaluar la reducción de capacidad de un transformador existente.
- Resonancia con bancos de condensadores. Los bancos de corrección del factor de potencia forman con la inductancia de la red un circuito resonante paralelo cuyo orden aproximado es hr ≈ √(Scc/Qc) [2]. Si hr coincide con el 5.º o el 7.º armónico, la tensión se amplifica y pueden fallar condensadores y fusibles.
- Falsos disparos y mal funcionamiento. Protecciones que no miden valor eficaz verdadero, relés térmicos e interruptores pueden operar sin falla real.
- Distorsión de tensión que afecta a otras cargas. Un THDv elevado en la barra de una concentradora afecta a instrumentación, UPS y motores conectados directamente.
- Interferencias. Los armónicos de alto orden pueden acoplarse a circuitos de señal tendidos junto a cables de potencia.
- Sobrecarga del neutro. En tableros con cargas monofásicas no lineales (iluminación, computación), los armónicos múltiplos de 3 se suman en el neutro en lugar de cancelarse [2].
Marco normativo
- IEC 61000-2-4:2024 [5] define niveles de compatibilidad para redes industriales hasta 35 kV, según clases de entorno: la clase 1 para alimentación de equipos sensibles, la clase 2 para puntos comparables a la red pública y la clase 3 para barras con convertidores y grandes motores; la edición 2024 subdivide la clase 2.
- IEC 61000-3-12 [6] limita las corrientes armónicas de equipos conectados a redes públicas de baja tensión con corriente de entrada mayor que 16 A y hasta 75 A por fase.
- IEC TR 61000-3-6:2008 [7] orienta la asignación de límites de emisión a instalaciones perturbadoras conectadas en media, alta y extra alta tensión, caso típico de grandes cargas mineras.
- IEC 61000-4-7 [8] e IEC 61000-4-30:2025 [9] definen, respectivamente, la instrumentación para medir armónicos e interarmónicos y los métodos de medición de calidad de energía (clases A y S), lo que permite resultados comparables.
Marco normativo en Chile
En Chile, la calidad de la energía se aborda en dos niveles. En la red de distribución, la Norma Técnica de Calidad de Servicio para Sistemas de Distribución de la CNE [10] fija para baja y media tensión un THDv máximo de 8 % durante el 95 % del tiempo de cualquier semana, con promedios de 10 minutos, y establece indicadores de TDD para usuarios conectados en media tensión.
En la instalación de consumo, el pliego técnico normativo RIC N°03 de la Superintendencia de Electricidad y Combustibles (SEC) define la carga no lineal como aquella que altera la forma de onda de la tensión o de la corriente, y en su punto 6.4.3 incluye expresamente a los variadores de frecuencia y a los partidores suaves entre las cargas que generan corrientes armónicas [11]. El pliego establece criterios para dimensionar el conductor neutro de los circuitos trifásicos que alimentan estas cargas considerando la corriente armónica presente, con disposiciones diferenciadas según se empleen filtros armónicos concentrados o distribuidos. De este modo, el tratamiento de los armónicos forma parte del diseño reglamentario de alimentadores y no solo de la verificación de calidad de servicio.
Tecnologías de mitigación
La selección de la tecnología forma parte de la selección y dimensionamiento del variador. La tabla siguiente presenta valores orientativos de THDi a plena carga, de orden de magnitud, recogidos en la literatura técnica [1][2]; el valor real depende de la impedancia de la red, del desequilibrio de tensiones y del punto de operación.
| Tecnología | THDi orientativo | Costo relativo | Espacio | Regeneración | Carga parcial |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 pulsos sin reactancia | 80–100 % o más | Base | Mínimo | No | THDi aumenta |
| Reactancia de línea AC (3–5 %) | 30–45 % | Bajo | Bajo | No | THDi aumenta |
| Reactancia en bus DC | 30–45 % | Bajo | Integrada | No | THDi aumenta |
| 12 pulsos con transformador desfasador | 10–15 % | Medio-alto | Alto | No | Sensible al desequilibrio |
| 18 pulsos con transformador desfasador | 5–8 % | Alto | Alto | No | Buen desempeño |
| Filtro pasivo sintonizado | 5–10 % | Medio | Medio | No | Riesgo de corriente capacitiva en vacío |
| Filtro activo en derivación | < 5 % | Alto | Medio | No aplica | Buen desempeño |
| Front-end activo (AFE, Active Front End) | < 5 % | Alto | Medio | Sí | Buen desempeño |
| Variador de bajo contenido armónico | < 5 % a 10 % | Medio-alto | Integrado | Según topología | Buen desempeño |
Algunos criterios de aplicación:
- En ventiladores y bombas de proceso, con par cuadrático, las reactancias suelen bastar si la red es robusta.
- En molinos de gran potencia en media tensión, los esquemas multipulso aprovechan un transformador que de todos modos es necesario.
- En correas descendentes, con energía recuperable, el AFE suma regeneración y factor de potencia cercano a la unidad.
- Un filtro activo centralizado conviene cuando varios variadores existentes comparten una barra.
Beneficios de un estudio de armónicos
Un estudio sistemático reduce la incertidumbre antes de invertir y permite:
- Medición previa con instrumentos según IEC 61000-4-30, para establecer la línea base de THDv y TDD durante una semana representativa.
- Modelado de la red con impedancias, condensadores y variadores proyectados, para anticipar resonancias y la distorsión en el PCC.
- Selección técnica de la mitigación, dimensionada para el punto de operación real.
- Verificación en el PCC tras la puesta en servicio, para acreditar el cumplimiento de IEEE 519 o de la normativa local ante la empresa de servicio.
Conclusión
Los armónicos son una consecuencia inherente de la conversión de potencia, pero son predecibles y controlables. Conocer su origen, cuantificarlos con métricas normalizadas como THDv y TDD, y evaluarlos en el PCC según IEEE 519, la serie IEC 61000 y la normativa chilena permite elegir la tecnología de mitigación adecuada para cada accionamiento. El resultado es una instalación con menor calentamiento, sin resonancias y con capacidad de crecer sin deteriorar la calidad de energía.
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Referencias
[1] Arrillaga, J.; Watson, N. R. Power System Harmonics. 2.ª ed. John Wiley & Sons, 2003.
[2] Dugan, R. C.; McGranaghan, M. F.; Santoso, S.; Beaty, H. W. Electrical Power Systems Quality. 3.ª ed. McGraw-Hill, 2012.
[3] IEEE. IEEE 519-2022 – IEEE Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems. IEEE, 2022.
[4] IEEE. IEEE C57.110-2018 – IEEE Recommended Practice for Establishing Liquid Immersed and Dry-Type Power and Distribution Transformer Capability when Supplying Nonsinusoidal Load Currents. IEEE, 2018.
[5] IEC. IEC 61000-2-4:2024 – Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 2-4: Environment – Compatibility levels in power distribution systems in industrial locations for low-frequency conducted disturbances. Ginebra, 2024.
[6] IEC. IEC 61000-3-12:2011+AMD1:2021 – Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-12: Limits – Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current >16 A and ≤ 75 A per phase. Ginebra, 2021.
[7] IEC. IEC TR 61000-3-6:2008 – Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-6: Limits – Assessment of emission limits for the connection of distorting installations to MV, HV and EHV power systems. Ginebra, 2008.
[8] IEC. IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008 – Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-7: Testing and measurement techniques – General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto. Ginebra, 2009.
[9] IEC. IEC 61000-4-30:2025 – Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-30: Testing and measurement techniques – Power quality measurement methods. Ginebra, 2025.
[10] Comisión Nacional de Energía (CNE). Norma Técnica de Calidad de Servicio para Sistemas de Distribución. Santiago de Chile, abril de 2024.
[11] Superintendencia de Electricidad y Combustibles (SEC). Pliego Técnico Normativo RIC N°03: Alimentadores y demanda de una instalación. Versión 1.1, Resolución Exenta N° 33.877. Santiago de Chile, 2020.