Distorsión armónica en sistemas UPS: causas y filtros pasivos

Un sistema UPS puede proteger equipos críticos y, aun así, contribuir a una forma de onda distorsionada. Los armónicos son componentes de frecuencia que se presentan en múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de 50 o 60 Hz del suministro eléctrico; la distorsión armónica en sistemas UPS ocurre cuando estos componentes alteran las formas de onda de corriente o voltaje. La distorsión armónica total (THD) describe el grado de deformación de la forma de onda, mientras que la THDi expresa la distorsión de corriente como un porcentaje de la corriente fundamental.

Tiene todo el sentido prestarle atención a la calidad de la forma de onda. La energía de respaldo debe adaptarse a los equipos que alimenta, no solo mantenerlos encendidos.

Esta guía explica qué son los armónicos y la THD, cómo los rectificadores de UPS, los inversores y las cargas no lineales pueden generar distorsión, y de qué forma los filtros pasivos mitigan frecuencias específicas. También aprenderá por qué las mediciones y las condiciones del sistema resultan clave al evaluar un filtro, permitiéndole tomar una decisión mejor fundamentada.

¿Qué causa que los sistemas UPS induzcan distorsión armónica?

La distorsión del UPS puede originarse en el rectificador, que convierte la energía de CA entrante en CC. Los diodos o tiristores conmutan de forma no lineal, consumiendo corriente en pulsos en lugar de hacerlo en una onda senoidal uniforme. Estos armónicos de corriente pueden distorsionar el voltaje de suministro a través de la impedancia del sistema. La modulación por ancho de pulsos de un inversor también conmuta a alta velocidad para generar la salida de CA, añadiendo componentes de alta frecuencia. Por otra parte, las cargas no lineales, como computadoras, servidores y motores de velocidad variable, demandan corriente distorsionada. En consecuencia, tanto el UPS como los equipos conectados a él pueden provocar problemas de calidad de energía.

Una THD elevada puede perjudicar a los equipos sensibles. Por ejemplo, una fuente de alimentación puede presentar fallas operativas si las formas de onda de voltaje están distorsionadas. La corriente armónica también incrementa el calentamiento en transformadores, conductores y componentes internos del UPS. El calor y el estrés eléctrico resultantes pueden reducir la vida útil y la eficiencia de los equipos, además de provocar disparos erróneos de interruptores o interrupciones del servicio. Las cargas lineales generalmente consumen corriente en proporción directa al voltaje, mientras que las cargas electrónicas no lineales pueden generar armónicos incluso cuando su consumo de potencia parece constante.

Los sistemas UPS de doble conversión transforman CA a CC y nuevamente a CA, aislando a los equipos conectados de las perturbaciones de la entrada. Los sistemas interactivos (line-interactive) y de reserva (standby) utilizan distintas vías de conversión de energía. El comportamiento armónico depende del diseño, el modo de operación y las cargas conectadas, por lo que la topología por sí sola no determina el resultado final.

Utilice un analizador de calidad de energía para medir la distorsión, evaluando la THDi de corriente y la THD de voltaje en la entrada o salida correspondiente del UPS. Registre también el factor de potencia y la carga operativa. Un UPS con poca carga puede presentar un perfil de distorsión de corriente muy distinto al de uno que opera con sus cargas electrónicas habituales.

Filtros armónicos pasivos

Los filtros pasivos atenúan componentes armónicos específicos en los sistemas de energía con UPS. Su efectividad depende de qué tan bien se ajuste el filtro al perfil de distorsión existente.

Cómo reducen los armónicos los filtros pasivos

Los inductores y capacitores forman una trayectoria que reduce la distorsión en frecuencias determinadas. Esto hace que el filtrado pasivo sea muy útil cuando la frecuencia armónica predominante se conoce y permanece constante. Algunos sistemas UPS incorporan filtros de entrada diseñados para reducir el tercer y quinto armónico. En un caso documentado, la distorsión de voltaje a la salida de la fuente midió 4% sin filtro y bajó al 1% con él. Estos valores sirven de ejemplo ilustrativo y no constituyen un resultado universal.

Limitaciones de los filtros pasivos

Un filtro pasivo se sintoniza para frecuencias específicas, por lo que puede no resolver patrones armónicos variables o inesperados. Su rendimiento también está condicionado por el sistema eléctrico circundante. Es necesario considerar la corrección del factor de potencia y la resonancia armónica, ya que los componentes del filtro pueden interactuar con el suministro de red. Si no se comprenden estas condiciones, es posible que el filtro no brinde la mejora esperada, incluso si apunta a un armónico previamente medido.

Compare las mediciones del sistema antes de seleccionar una estrategia de filtrado. Un ejemplo reporta una distorsión de corriente global cercana al 35% sin filtro y por debajo del 5% con él; sin embargo, las condiciones de la instalación son determinantes. Un analizador de calidad de energía permite identificar el perfil de distorsión, mientras que un análisis de armónicos ayuda a determinar qué frecuencias requieren atención. Estos datos fundamentan una elección de filtro mucho más acertada y permiten evaluar si el filtrado pasivo se adecúa a la forma de onda de la carga y a sus condiciones operativas.

En instalaciones de UPS con armónicos conocidos y estables, un análisis de armónicos ayuda a orientar la selección del filtro y a evaluar los requerimientos de calidad de energía.

Definición y causas de la distorsión armónica total

Las formas de onda eléctricas combinan una frecuencia fundamental con componentes armónicos adicionales. La distorsión armónica total describe la manera en que estos componentes alteran la forma de onda.

Significado de la distorsión armónica total

La distorsión armónica total (THD) compara el contenido armónico con la componente fundamental de una forma de onda eléctrica. La THD de corriente, o THDi, expresa la distorsión de corriente como un porcentaje de la corriente fundamental; la THD de voltaje describe la distorsión presente en el voltaje. Mantener estas mediciones diferenciadas ayuda a identificar si la inquietud principal radica en la corriente demandada por los equipos o en la calidad del voltaje suministrado.

Las frecuencias armónicas se presentan en múltiplos enteros de la fundamental de 50 o 60 Hz de la red eléctrica. Por ejemplo, el segundo armónico de un suministro de 50 Hz es de 100 Hz. La THD sintetiza múltiples componentes en una sola cifra, en lugar de identificar una frecuencia aislada. Por lo tanto, una lectura indica la distorsión global, mientras que un espectro armónico permite observar qué componentes tienen mayor peso.

Causas de la distorsión armónica total

Las cargas eléctricas no lineales consumen corriente en forma de pulsos, produciendo armónicos que incrementan la distorsión. Los variadores de frecuencia y las luminarias LED son ejemplos de electrónica de potencia capaces de generar armónicos. Los inversores de frecuencia con convertidores de seis pulsos generan corrientes armónicas significativas de quinto y séptimo orden, las cuales pueden combinarse con la distorsión procedente de otros equipos.

Los rectificadores e inversores de los UPS también pueden generar armónicos debido a la conducción no lineal y a la conmutación rápida. La corriente armónica resultante interactúa con la impedancia del sistema, transformando la distorsión de corriente en distorsión de voltaje. Esto es fundamental, ya que los mismos armónicos de corriente pueden afectar el voltaje de manera distinta según la impedancia de cada instalación.

Para realizar una evaluación adecuada, distinga la THDi de corriente de la THD de voltaje y luego examine los componentes armónicos junto con la carga operativa. Esto proporciona un panorama mucho más claro que basar todo el diagnóstico en un único valor global de THD. Solicite un análisis de armónicos para conocer en detalle el perfil de distorsión de su sistema eléctrico.

Energy Control Systems: Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS)

Energy Control Systems ofrece el servicio de Análisis de Armónicos para ayudarle a entender la distorsión en todo su sistema eléctrico. Puede ser el paso siguiente más adecuado si las mediciones del UPS o de la carga muestran una THD elevada, si los equipos operan de manera anómala o si necesita comprobar si un filtro pasivo coincide con el perfil armónico existente. Analizar los componentes medidos en conjunto con las condiciones de la instalación permite clarificar el problema de calidad de energía antes de implementar una solución.

Energy Control Systems también suministra Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (UPS) para organizaciones que planifican su energía de respaldo según sus necesidades eléctricas reales. Considere el desempeño armónico junto con la continuidad operativa, especialmente cuando conviven en el mismo sistema equipos sensibles y cargas no lineales. Conocer a fondo sus requerimientos técnicos le permitirá tomar una decisión mucho más acertada al elegir un UPS.

Comuníquese con Energy Control Systems para coordinar un Análisis de Armónicos o para evaluar los requerimientos de sistemas UPS para sus instalaciones.

Tome su próxima decisión energética con confianza

Transforme las inquietudes sobre calidad de energía en una prioridad de planificación clara y bien definida. Si la distorsión armónica en sistemas UPS está influyendo en sus decisiones de equipamiento, deje que las necesidades reales y comprobadas del sistema guíen sus siguientes pasos en lugar de elegir un filtro basándose en suposiciones.

Energy Control Systems ofrece servicios profesionales de Análisis de Armónicos junto con soluciones avanzadas de supresión de sobretensiones transitorias y filtrado. Estas soluciones facilitan un diálogo fundamentado sobre sus requerimientos de calidad de energía y las mejores alternativas de mitigación.

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Preguntas frecuentes

¿Qué son los armónicos?

Los armónicos son componentes de una forma de onda eléctrica cuyas frecuencias corresponden a múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de la red eléctrica. Por ejemplo, un suministro de 50 Hz tiene su segundo armónico en 100 Hz. Estos componentes pueden estar presentes en la corriente, en el voltaje o en ambos. Analizar los órdenes armónicos individuales, en lugar de limitarse a una lectura de distorsión global, permite identificar con exactitud cuáles componentes son los más relevantes.

¿Qué causa la distorsión armónica en los sistemas UPS?

La conmutación en el rectificador del UPS, la operación del inversor y las cargas no lineales conectadas pueden contribuir a la distorsión. Por ejemplo, la fuente de alimentación de una computadora puede consumir corriente en pulsos, mientras que el rectificador de un UPS también toma corriente de entrada no senoidal. La distorsión resultante depende de cómo interactúan estas fuentes con el sistema eléctrico. Comparar las lecturas en la entrada y la salida del UPS ayuda a visualizar en qué punto es más pronunciada la distorsión.

¿Cuáles son los límites habituales de THDi y THDv para sistemas UPS?

Valores de diseño comúnmente recomendados son una THDi de entrada inferior al 5% y una THDv de voltaje del sistema por debajo del 5%. Se trata de metas de referencia y no de límites universales de aprobación o desaprobación para todas las instalaciones. El diseño del rectificador del UPS influye significativamente en la distorsión de corriente: los rectificadores con frente activo (Active Front End) pueden lograr una THDi inferior al 3%, mientras que los rectificadores de 18 pulsos suelen situarse entre el 5% y el 8%. Siempre compare las especificaciones con mediciones tomadas bajo condiciones operativas representativas.

¿De qué forma afectan las cargas no lineales los armónicos de entrada y salida del UPS?

Las cargas no lineales, tales como los variadores de frecuencia y las fuentes de alimentación conmutadas, consumen una corriente que se aparta de una onda senoidal pura. Sus corrientes armónicas pueden repercutir en el suministro que alimenta al UPS. En la salida, el inversor debe alimentar la carga conectada, por lo que la calidad del voltaje dependerá tanto del diseño del UPS como de las condiciones de la carga. Por ello, conviene evaluar la corriente de entrada y el voltaje de salida de manera independiente.

¿Qué límites de la norma IEEE 519 aplican a la distorsión armónica de los UPS en los Estados Unidos?

La norma IEEE 519 establece lineamientos sobre la distorsión armónica admisible, pero no fija un límite único y universal aplicable específicamente a los UPS para todas las instalaciones. La evaluación correspondiente depende del sistema eléctrico en su conjunto y del punto de acoplamiento donde se mida la distorsión. Considere la meta de THDv inferior al 5% como una guía de diseño útil, pero no como un reemplazo de la evaluación de las condiciones reales de la instalación y de la forma de onda medida.

Artículo por

Jeff Edwards

Fundador de ECS International Inc. Edwards viaja y ofrece conferencias con frecuencia en América Latina, Asia y África sobre calidad de energía, transitorios y mitigación de su impacto en la rentabilidad de las empresas. Tras graduarse de la Texas Tech University en Lubbock, Texas, Edwards trabajó durante 9 años en el sector de las telecomunicaciones antes de fundar Energy Control Systems en 1987, una empresa con sede en Texas dedicada a la venta de sistemas de supresión de sobretensiones y equipos UPS. La compañía ha evolucionado hasta convertirse en un referente global de productos de calidad de energía y eficiencia energética, con operaciones que abarcan Sudamérica, Asia, Europa y África.