El documento describe los problemas causados por las corrientes armónicas en los sistemas eléctricos modernos debido al uso creciente de equipos electrónicos no lineales. Las corrientes armónicas causan sobrecalentamiento en conductores, transformadores y otros equipos, así como mayores pérdidas que aumentan los costos de energía. Se recomiendan soluciones como usar conductores más grandes, separar cargas lineales de no lineales, limitar la distorsión del voltaje, e instalar filtros pasivos o activos para controlar las corrient

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Introducción:
En el pasado, las cargas convencionales eran preponderantemente
resistivas.
Hoy en día se utiliza principalmente equipo electrónico , que
representa una gran cantidad de cargas No Lineales conectadas al
sistema de distribución de energía.
Las cargas no lineales producen componentes armónicas que
circulan por el sistema de distribución provocando diferentes
problemas.
Las componentes armónicas son indeseables y debe procurarse el
eliminarlas de la red eléctrica

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La presencia de corrientes armónicas provocadas por la alimentación de cargas no
lineales, incrementa las pérdidas en los sistemas de alimentación eléctricos, así
como el monto de los recibos que deben pagar los usuarios finales.
Las pérdidas arriba mencionadas, afectan directamente la eficiencia del sistema
eléctrico, causando sobrecalentamiento en algunos conductores,
transformadores, tableros de distribución y otros aparatos, que lógicamente
imponen mayores cargas térmicas a los sistemas de aire acondicionado.

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El problema con las armónicas en un sistema de distribución moderno.
La mayoría de los equipos que componen el sistema de distribución no
contemplaron en su diseño y dimensionamiento, ni las magnitudes ni la frecuencia
de dichas corrientes, lo que por supuesto genera una problemática de
calentamiento debido al efecto Joule “I2R” no esperado.

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Como sabemos el comportamiento magnético del núcleo de cualquier transformador es más eficiente
cuando se trabaja a la frecuencia para la cual se diseñó.
La presencia de componentes de corriente con frecuencias mayores provocan un sobrecalentamiento del
núcleo lo que reducirá de manera apreciable el tiempo de vida del equipo al provocar la degradación de
los aislamientos.

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El Efecto piel:
Otro aspecto interesante a considerar es aquel asociado al llamado efecto piel o “Skin
effect”, ya que como se sabe las corrientes con frecuencias bajas tienden a ocupar más
sección transversal del conductor por el que circulan, mientras las corrientes con
frecuencias más altas tienden a circular por la periferia de los conductores, lo que de alguna
manera puede identificarse como un aumento de la resistencia del conductor misma que
provocará tanto una caída de potencial , como un aumento en la temperatura de operación
del propio conductor.
Corriente Directa
Frecuencia = 0
Corriente alterna
Alta Frecuencia

10. Si pensamos ahora en un centro de datos moderno, necesariamente nos imaginaremos una instalación en
la cual se concentra una importante cantidad de equipo electrónico tal como computadoras personales,
equipo de telecomunicaciones, impresoras, faxes, sistemas de iluminación con balastros electrónicos etc.
Mucho del equipo mencionado utiliza fuentes de alimentación del tipo conmutado o “SMPS” buscando el
aprovechar la característica de alta eficiencia que está tecnología nos brinda, sin embargo constituyen en
conjunto una enorme base de carga no lineal.
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11. Estas fuentes conmutadas demandan componentes de corriente en pulsos de corta duración
pero cuya amplitud llega a ser muy alta, lo cual provoca una distorsión importante tanto en
la forma de onda de corriente como en la de voltaje, misma que viaja hacia la fuente de
energía que alimenta al sistema afectando a otros equipos conectados a la red.
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En Fase

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Dependiendo de su secuencia y rotación, las armónicas presentan diferentes
efectos:
1. SECUENCIA (+): Rotación Directa, puede producir calentamiento de
conductores, rotura de circuitos, etc.
2. SECUENCIA (-) : Rotación Inversa, produce un freno en el motor, además
calentamiento de conductores y por ende problemas en el motor.
3. SECUENCIA (0) : No tiene sentido de rotación, pero puede causar
calentamiento. La secuencia de armónicas cero (múltiplos de la 3a) son
llamados "Triplens".

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Problemas generados por la presencia de armónicas:
• Sobrecalentamiento del equipo de distribución, transformadores, equipo de generación de
respaldo etc.
• Altas corrientes y voltajes causados por problemas de resonancia compatible con la frecuencia de
las componentes armónicas presentes.
• Mal funcionamiento del equipo, derivado de la distorsión presente en la energía que lo alimenta.
• Disparo en falso de dispositivos de protección
• Errores en el equipo de medición.
• Problemas derivados del bajo factor de potencia provocado por la presencia de armónicas
• Voltajes neutro a tierra superiores a los 2 volts los cuales exceden el estándar IEEE 1100-1992.
• Sobrecalentamiento de conductores mismos que aumentan la carga térmica de los sistemas de
acondicionamiento de aire, con su consecuente aumento en el consumo de energía.

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Soluciones más comunes a los problemas típicos
Problema:
La presencia de corrientes armónicas incrementan el Valor Cuadrático Medio de la Corriente, lo
que provoca más pérdidas y sobrecalentamiento. Además, la corriente alterna tiende a fluir
hacia la superficie externa de un conductor (“Efecto Piel”), efecto que es más pronunciado a
altas frecuencias, lo que ocasiona pérdidas adicionales y sobre calentamiento.
Los interruptores termo magnéticos comunes, usan un mecanismo de activación que responde
al efecto de calentamiento provocado por la corriente del circuito, mismos que podrían
activarse debido al sobrecalentamiento causado por las armónicas.
Solución:
Usar conductores eléctricos y barras de mayor dimensión y tamaño para evitar las pérdidas y
activaciones causadas por las corrientes armónicas, separar las cargas lineales de las no
lineales (que causan armónicas) y reemplazar los paneles e interruptores automáticos donde
sea necesario.

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Problema:
CONDUCTOR NEUTRO
En el caso de los circuitos trifásicos con cargas no lineales, las armónicas de orden impar (3ª, 9ª, 15ª, etc.),
no se cancelan sino que se suman en el conductor neutro, por lo que la corriente por el conductor neutro
puede ser mayor que la corriente de fase. El peligro consiste en un excesivo sobrecalentamiento del cable
neutro, además de causar caídas de voltaje, entre el neutro y la tierra, mayores de lo normal.
Solución:
Se recomienda que el tamaño del conductor neutro sea el doble que el del conductor de fase cuando los
circuitos alimentan cargas no lineales. Opcionalmente debe proveerse un conductor neutro aparte para
cada fase. Asimismo, otra alternativa para bloquear el flujo de armónicas que tienden a circular por el
neutro es utilizar transformadores con conexión delta – estrella.

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Problema:
CAPACITORES:
Se sobrecargan los capacitores de corrección del factor de potencia debido a que las corrientes armónicas
fluyen a través de la ruta de baja impedancia que estos representan en lugar de regresar al transformador
de distribución. Además, cuando los capacitores y las inductancias del sistema de distribución de potencia
forman un circuito paralelo resonante que tiene una frecuencia de resonancia cercana a una armónica de
carga significativa presente, la corriente armónica resultante puede incrementarse sustancialmente
sobrecargando los capacitores y fundiendo los fusibles de los mismos.
Solución:
Se puede evitar la resonancia añadiendo una inductancia en serie con el capacitor para desintonizar la
frecuencia de resonancia del sistema o alternativamente instalar una red de corrección kVAR diseñada
especialmente.

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Problema:
TRANSFORMADORES Y MOTORES
Un transformador alimentando cargas no lineales y un motor alimentado con un voltaje y corriente
distorsionado se sobrecalientan debido a las corrientes parásitas y al “Efecto Piel”. Esto origina pérdidas
adicionales en el transformador y, en el motor, y tienden a invertir su dirección, reduciendo el torque y
ocasionando vibraciones.
Solución:
En el caso de los transformadores se debe limitar la carga que se les coloca de modo que suministren
una potencia menor que la nominal. En el caso de los motores de inducción, separarlos de los circuitos
que generan armónicas (mandos de velocidad variable, equipos electrónicos de gran tamaño, etc.). La
práctica general es limitar la distorsión total del voltaje por armónicas a un valor menor a 5%.

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Conclusiones:
El problema de la circulación de corrientes armónicas en los sistemas de distribución modernos, existe
como consecuencia directa de la utilización masiva de equipo electrónico tal como computadoras
personales, impresoras, faxes balastros electrónicos, UPS, que se comportan como cargas no lineales.
En el caso de grandes instalaciones tales como data y call centers, se debe prestar especial atención
dada su naturaleza como centros de “misión crítica”, ya que las fallas que se pueden presentar
implicarían en algunos casos la suspensión de los servicios tanto de comunicaciones como de cómputo.
El “tolerar” la existencia de la circulación de estas corrientes implica también el aceptar el pagar
mayores cuentas por consumo de energía, ya que su utilización se vuelve menos eficiente.

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Las recomendaciones para controlar la magnitud de las corrientes armónicas
generadas se pueden resumir en:
1. Uso de filtros pasivos para establecer un camino de baja impedancia para las
corrientes armónicas de forma que circulen por el filtro y no por la fuente de
alimentación.
2. Uso de filtros activos, que son compensadores activos de armónicos.
3. Uso de transformadores de separación que separan las armónicas múltiplos de 3 de la
fuente de alimentación.
4. Uso de reactores de línea para corriente alterna.
5. Realizar una nueva distribución de cargas y balance eléctrico de la instalación.
6. Mayor dimensionado de los transformadores y cables para disminuir las
perturbaciones.

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7. Realizar un mantenimiento predictivo de la instalación eléctrica.
8. Separar las cargas lineales de las no lineales.
9. Realizar un monitoreo continuo del sistema.
10. La “Calidad de Energía” que se debe procurar en toda instalación eléctrica, se logra
con un diseño adecuado en el cuál se debe contemplar la instalación de conductores
eléctricos de cobre de un calibre mayor al especificado, con lo cuál, frente a un
incremento de la carga que soporta el sistema, se evitan los problemas que resultan
de la generación de armónicas.

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Referencias:
Avoiding Power Quality Headaches in Data Centers
K.L. Godrich
Building Operating management rev. Nov 2004
The costs and benefits of harmonic current reduction in low voltage distribution systems
Gregory N.C. Ferguson
Power Quality International Inc.
Harmonics currents in data center, a case study
APC white paper # 38
American Power Convertion ,2003
Hazards of harmonics and neutral overloads
APC white paper # 26
American Power Convertion, 2003
Power Quality in Internet data centers
Brian Fontenbery
Electric Power Research Institute , november 2007
No Harmony in Harmonics
Rodríguez & Saldanha
Eaton Corp, January 2010

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