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Estrategias para mejorar la calidad de la energía yreducir la distorsión armónica
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 Extracto de: Energy Engineering, Vol 94, #5,1997
Por: Warren H. Lewis
Las tensiones y corrientes armónicas que aparecen en los sistemas de CA de distribución de los inmuebles son
una forma de problemas de calidad de la energía. Algunas veces estos problemas pueden no ser de gravedad y
no nos preocuparemos. Recuerde que un analizador de armónicas pueden detectar y reportar las tensiones y
corrientes armónicas del circuito bajo análisis, su presencia no es una condición automática de problemas.
Otros problemas comunes de calidad de la energía incluyen el diseño del sistema de cableado, interacción
entre la impedancia de la fuente y la carga, conmutación de cargas y los efectos de los campos magnéticos 
debido al flujo de corriente en los conductores de cualquier tipo.
Corrientes armónicas
La mayoría de los problemas armónicos empiezan cuando el sistema de distribución eléctrica o algún
alimentador dentro de él, requiere alimentar cargas que en su mayor porcentaje son del tipo no lineal. En
general cualquier carga que consista de un rectificador, un rectificador controlado de silicio ó de arco eléctrico es
no lineal.
Una vez que estas corrientes armónicas tienen una amplitud y rango de frecuencias suficiente, pueden
empezar a causar problemas tanto en los equipos como en los conductores. Por ejemplo, pueden causar
sobrecalentamiento en los transformadores de fuerza, tableros de distribución, y conductores neutros que
transportan esas corrientes.
La figura 1 muestra una “firma” típica de la distribución de corrientes armónicas de un moderno dispositivo de
carga no lineal
Distorsión armónica de la forma de onda de voltaje
Lo que es importante resaltar sobre las corrientes armónicas, es que interaccionan con el sistema de distribución
eléctrico, entre los conductores línea-neutro y la impedancia de la fuente y distorsiona la forma de onda de
voltaje causando distorsión armónica en voltaje. Que aparece en el sistema de distribución general y propaga el
problema a áreas mucho mayores.
Controlando las corrientes armónicas
Las corrientes armónicas necesitan ser confinadas al mismo circuito que produce esas corrientes y evitar que 
fluyan a otros circuitos vía alimentadores, transformadores, tableros de distribución, y elementos similares del
sistema de distribución eléctrico. Se puede lograr con el uso de trampas de corriente armónica que no es otra
cosa que un circuito compuesto por una red LC sintonizada a cierta frecuencia en particular (la de la armónica
problemática) que deba ser controlada.
 
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Conductor del neutro
Un problema típico con las corrientes armónicas es que las componentes “triples” son aditivas en la barra del
neutro de un sistema trifásico a 4 hilos, donde se conectan las cargas no lineales entre el neutro y la fase. Las
armónicas triples son múltiplos de 3 (3ª, 6ª, 9ª, 12ª, 15ª, etc). Típicamente sólo las armónicas triples impares
son un problema práctico. Se suman de cada fase al neutro, están separadas 120° en un sistema trifásico. Esto
puede resultar en una corriente neutro de 1.73 veces mayor que la corriente máxima en cualquier fase.
La corriente del neutro que contenga corrientes armónicas triples están presentes en el neutro no importando
que tan balanceadas parezcan estar las corrientes de fase. Sólo cuando se tengan cargas lineales (iluminación
incandescente, calefactores a base de resistores, inductores, capacitores, etc.) y las fases estén bien
balanceadas, la corriente en el neutro será cero. Por ejemplo, Un sistema “aparentemente” balanceado
conduciendo 100A por fase con cargas no lineales, puede tener una corriente de neutro de cerca de 173 Arms.
Lo anterior es un caso verdadero, pero la corriente considerada en el neutro no es de 60Hz, sino el resultado de
la suma de las corrientes triples, con un contenido principal de 3ª armónica (180Hz).
El flujo de corriente rms es la que produce el calentamiento P = I²R, pérdidas en la trayectoria del conductor.
Esto significa que en un conductor en el que circulen 100Arms con un tablero de 4 hilos + tierra para 100 A,
estaría sobrecargado con 73 Arms. Debido a que la producción de calor en watts es exponencial, la pérdida de
calor medido en watts se relaciona al cuadrado de la corriente. Por lo tanto, esta corriente adicional puede
generar excesivo calentamiento, especialmente en los puntos de conexión del conductor neutro.
Agregar calor en el neutro debido a las corrientes armónicas pueden tener un efecto limitante en la capacidad
de la temperatura de aislamiento del conductor, elevando también la temperatura dentro de su canalización. Lo
que normalmente hubiera sido correcto y seguro para el calibre de un conductor utilizado en cargas lineales, se
vuelve inseguro y preocupante cuando se usa para cargas no lineales.
Algunas sugerencias para solucionar el problemas son:
1 Utilice circuitos de 3F, 3H + T, en lugar de circuitos de 4H+T, en donde sea posible. Esto previene el
calentamiento debido a las armónicas y problemas de disminución de capacidad del conductor para todos los
conductores que compartan la misma canalización.
2 En circuitos 3F, 4H + T, incremente el factor de conducción de corriente en el neutro en 2 (es decir,
200%). Esto evita corrientes excesivas y problemas de sobrecalentamiento en este conductor.
3 Si decide incrementar el calibre del neutro como se menciona en 2, asegure aumentar el calibre de los
conductores de línea en los circuitos trifásicos de 4H + T.
 
Transformadores de fuerza y corrientes armónicas
Las corrientes armónicas causan calentamiento interno a los transformadores y pérdidas resultado de las
corrientes de Eddy que se incrementan en forma exponencial como una función de las frecuencias armónicas.
Un Amper de la corriente de 3ª armónica causará pérdidas por corriente de Eddy cerca de 9 veces (3² = 9) a
aquella que causa un Amper de la corriente fundamental. Esto significa que mientras más alta sea la corriente
armónica mayor pérdida causará en su trayectoria.
Mientras el transformador no se sobrecaliente, no habrá mucho de que preocuparse. El problema es que los
transformadores tipo seco se sobrecalientan inesperadamente debido a las corrientes armónicas.
Transformadores de factor K
Un transformador típico tipo K difiere de un transformador normal en 3 formas:
1 El transformador tipo K tiene el devanado del neutro del secundario al 200% de la capacidad a plena
carga
2 Esta diseñado para evitar sobrecalentamiento debido a las corrientes armónicas mientras su factor K
no se exceda.
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3 El transformador factor K, viene en incrementos como K4, K9 y K13. Para la mayoría de las
aplicaciones de circuitos críticos se utiliza el K4 y el K13. Algunos fabricantes producen transformadores más
allá del K13 pero son realmente raros.
Tableros
Un tablero típico trifásico de 4H+T esta sujeto al destructivo efecto del calentamiento producido por las
corrientes armónicas fluyendo por la barra del neutro. También está presente calor adicional por las corrientes
armónicas fluyendo por los dispositivos de sobre corriente instalados en el tablero, elevando la temperatura a
niveles donde los interruptores termo magnéticos empiezan a dispararse.
Soluciones prácticas para evitar el sobre calentamiento
1 Instale un tablero especialmente diseñado para manejar cargas no lineales. El cuál está equipado con
una barra del neutro de capacidad 200% mayor a un tablero normal ó bien, especifique un tablero para el doble
de la capacidaden barras del que necesite, pero mantenga la protección principal al nivel de cálculo.
2 Especifique interruptores para manejar cargas no lineales.
3 Para disminuir la temperatura en el interior del tablero, coloque el interruptor principal en el exterior del
tablero (con su propio gabinete).
4 Instale un monitor de corriente rms de dos etapas tipo ajustable en el neutro del alimentador y utilícelo
para:
a) Activar una alarma en caso de sobrecarga de corriente.
b) Activar un disparo para el interruptor principal (que esté equipado con disparo automático) del tablero si la
corriente rms sobrepasa la corriente límite establecida.
Alimentadores
Debido a que todos los cableados eléctricos tienen impedancia, es correcto asumir que existe caída de tensión a
lo largo del alimentador en respuesta a los cambios de corriente de carga, ya sea corriente pico o rms. Mientras
más largo sea el alimentador, mayor será su impedancia y mayor será la distorsión en voltaje debido a las
corrientes armónicas y mayor la inestabilidad debido a la conmutación de cargas.
Las cargas susceptibles a variaciones de tensión colocadas al final de la línea de los alimentadores tendrán un
efecto negativo por la operación de otras cargas colocadas en la línea eléctrica de esos alimentadores.
Aunque los costos de instalación afectan el diseño eléctrico, los ahorros en los costos de construcción se
evaporan rápidamente con las pérdidas posteriores, causado por el diseño del pobre cableado inicial y los
problemas de calidad de la energía que genera. Las siguientes sugerencias representan costos de construcción
iniciales más elevados, pero con mucho menor costo de operación.
Donde conectar o no conectar cargas no lineales y cargas electrónicas sensibles para minimizar los problemas
de interacción.
1 Separe cargas en los alimentadores y en los tableros de distribución. Mantenga las cargas que
demandan una corriente relativamente constante en un alimentador y un tablero, y coloque las cargas
conmutadas y variables en alimentadores y tableros separados.
2 Alimente las cargas no lineales de fuentes tan cerca del tablero de distribución como sea posible.
3 Alimente las cargas sensibles de alimentadores y circuitos derivados que no utilicen otro tipo de cargas
4 Diseñe los alimentadores en forma robusta, utilizando calibres de conductor mas allá del mínimo
indicado en la norma eléctrica.
5 Utilice múltiples alimentadores derivados paralelos entre sí en canalizaciones independientes para
cada alimentador
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Campos electromagnéticos
Los campos electromagnéticos existen alrededor del espacio que rodea a los conductores por donde circula
corriente. El voltaje genera campos eléctricos mientras que la corriente genera campos magnéticos.
Los campos magnéticos son los que provocan problemas de calidad de la energía cuando escapan al espacio
libre desde cualquier conductor eléctrico que transporta corriente. Uno de los problemas más comunes es
cuando ésos campos afectan los monitores de TV o computación que se basan en el uso de tubos de rayos
catódicos, afectando el haz electrónico que llega a la pantalla. Se observa como cambios rápidos en su nivel
lumínico.
Otro problema es cuando las corrientes armónicas o transitorias en el cableado de fuerza están acoplados
magnéticamente al cableado de señales datos de entrada o salida. Modificando la señal a ser transmitida o
recibida. En casos extremos, aparecen daños en los circuitos electrónicos al final de la línea de transmisión de
datos por las corrientes y tensiones inducidas de modo común.
Algunos métodos para minimizar el impacto de los campos magnéticos son:
1 No permita que el campo magnético se esparza al espacio libre, manteniendo a todos los conductores
portadores de corriente de un alimentador o circuito derivado juntos y en la misma canalización, que sea de
hierro para confinar el campo magnético en el interior de la canalización.
2 Coloque el alimentador o el circuito derivado lejos de cualquier conductor que pudiera ser afectado por
los campos magnéticos. Esto es muy efectivo pues la intensidad del campo magnético decae inversamente o
exponencialmente (depende de su tipo) con la distancia.
3 Mantenga los conductores o cables, que puedan ser afectados por los campos magnéticos, en ángulo
recto hasta donde sea posible con los conductores de corriente eléctrica de fuerza, esto minimiza el
acoplamiento magnético entre ellos.
4 Mantenga los cables y conductores que pudieran ser afectados por campos magnéticos en
canalizaciones de hierro los cuáles deberán estar aterrizados al sistema de tierra del inmueble. Esto proporciona
cierto blindaje para los efectos de campos magnéticos.
Nota: No realice ningún cambio al cableado eléctrico que viole cualquier disposición indicada en la norma
eléctrica.
 
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