La distorsión de los armónicos dentro de las redes de distribución eléctrica se origina en tres categorías principales de fuentes: equipos de generación de energía, infraestructura de transmisión y distribución, y cargas conectadas al usuario final-.
Armónicos producidos por unidades generadoras
Durante la fabricación, es prácticamente imposible construir devanados trifásicos-del generador con una impedancia perfectamente idéntica, ni se pueden diseñar núcleos de hierro para lograr una permeabilidad magnética totalmente uniforme en toda la estructura. Combinados con tolerancias mecánicas y de ensamblaje menores, los generadores generan naturalmente una pequeña cantidad de distorsión armónica en condiciones normales de funcionamiento-aunque este nivel de distorsión suele ser insignificante para la mayoría de los escenarios de operación de la red.
Armónicos que surgen del hardware de red T&D
Los transformadores de potencia representan la principal fuente de armónicos dentro de los sistemas de transmisión y distribución. Esta distorsión se debe a la saturación magnética dentro de los núcleos de hierro de los transformadores, lo que crea una curva de respuesta de magnetización no-lineal. Para equilibrar los costos de fabricación y el tamaño del equipo, los diseñadores de transformadores seleccionan una densidad de flujo operativo que se ubica cerca del punto de saturación de la curva de magnetización. Este punto de operación transforma la corriente magnetizante en una forma de onda con un pico agudo que transporta importantes componentes armónicos de orden impar-.
La gravedad de estos armónicos cambia según dos factores clave: el diseño interno del circuito magnético y la profundidad de saturación del núcleo de hierro. A medida que la saturación se intensifica, el transformador se aleja del funcionamiento magnético lineal, lo que eleva las magnitudes de la corriente armónica. Según los parámetros de diseño estándar, el componente del tercer armónico puede alcanzar hasta el 0,5% de la corriente nominal del transformador.
Distorsión armónica creada por cargas laterales-del cliente
Una amplia gama de equipos industriales y de consumo introduce una contaminación armónica significativa en la red pública, con diferentes tipos de carga que generan distintos perfiles de distorsión.
Equipo rectificador de semiconductores
Los circuitos rectificadores son omnipresentes en aplicaciones industriales pesadas, incluidos sistemas de tracción de rieles eléctricos, celdas de electrólisis de aluminio, estaciones de carga de baterías industriales y fuentes de alimentación conmutadas comerciales, e inyectan el mayor volumen de armónicos en las redes eléctricas globales. Estos dispositivos se basan en una lógica de control de cambio de fase-, que extrae formas de onda de corriente segmentadas, no-sinusoidales de la red; las formas de onda residuales distorsionadas resultantes contienen un denso contenido armónico. Para configuraciones de rectificador monofásico-con cargas inductivas, dominan las corrientes armónicas de orden impar-y el tercer armónico puede representar el 30 % de la corriente de frecuencia fundamental. Cuando se conecta a cargas capacitivas, el equipo genera voltajes armónicos de orden impar-, donde los niveles de distorsión aumentan junto con mayores valores de capacitancia. Los rectificadores en puente trifásicos-totalmente controlados de 6-pulsos alimentan armónicos de orden impar de quinto y superiores de regreso a los devanados primarios del transformador aguas arriba y al cableado de suministro. Incluso las topologías mejoradas de rectificador de 12 pulsos todavía producen corrientes armónicas medibles del 11.º y superiores. Las encuestas de la industria de campo indican que aproximadamente el 40 % de toda la distorsión armónica de la red se remonta al hardware del rectificador, lo que consolida esta categoría de equipos como la mayor fuente de armónicos en las redes eléctricas modernas.
Variadores de frecuencia
Los sistemas VFD se utilizan ampliamente para regular la velocidad de ventiladores, bombas de agua, ascensores de pasajeros y otras maquinarias giratorias. Su control de modulación del ángulo de fase produce espectros armónicos altamente complejos, con componentes fraccionarios de orden entero- e inter-armónicos. Muchas instalaciones industriales-a gran escala implementan bancos VFD de alta-potencia, y la adopción acelerada del control de velocidad variable ha empeorado constantemente los problemas de distorsión armónica en las redes de distribución en los últimos años.
Hornos de arco y carburo de calcio
Los hornos de fusión eléctricos enfrentan una inestabilidad operativa inherente durante el calentamiento de la materia prima: los tres electrodos del horno rara vez mantienen un contacto constante con la carga desigual e irregular del horno. Esta inconsistencia crea una carga trifásica desequilibrada fluctuante-, que genera corrientes armónicas que se propagan a través de los devanados del transformador conectados en delta-y hacia la red principal. Los componentes de distorsión más destacados aquí son los armónicos de segundo y séptimo orden. Los datos de medición en sitio muestran que estos armónicos normalmente se ubican entre el 8 % y el 20 % de la amplitud de la onda fundamental, con condiciones de operación extremas que elevan los picos de distorsión hasta el 45 %.
Productos de iluminación de descarga de gas
Los tubos fluorescentes, las lámparas de mercurio de alta-presión, las lámparas de sodio de alta-presión y las luces de halogenuros metálicos se incluyen en la tecnología de iluminación de descarga de gas. Las pruebas de laboratorio de sus características de voltaje-corriente revelan un comportamiento no-lineal severo, y ciertos modelos de lámparas incluso muestran perfiles de curva V-I negativos. Las instalaciones de estas cargas de iluminación introducen considerables corrientes armónicas-de orden impar en las líneas de distribución de bajo-voltaje.
Electrodomésticos
Los aparatos electrónicos domésticos comunes, incluidos televisores, dispositivos de grabación, computadoras de escritorio y portátiles, accesorios de iluminación regulables y aparatos de cocina con temperatura ajustable-, integran circuitos rectificadores y de regulación de voltaje, que generan una distorsión armónica de orden impar- notable. Los artículos domésticos motorizados, como lavadoras, ventiladores de refrigeración y unidades de aire acondicionado, también distorsionan las formas de onda de la red mediante corrientes de bobinado desequilibradas en constante cambio. Si bien cada dispositivo doméstico individual consume poca energía, el gran volumen de estas unidades conectadas a redes residenciales en todo el mundo las convierte en un contribuyente no-despreciable a la contaminación armónica general.