Armónicos eléctricos: por qué tu embarrado eléctrico se calienta sin estar sobrecargado

Los armónicos eléctricos casi siempre se delatan con la misma escena. La termografía marca un embarrado caliente; la pletina de neutro, todavía más. Un interruptor dispara sin sobrecarga aparente. Sacas la pinza, mides las tres fases y la lectura queda cómodamente por debajo de la nominal.

Los números no cuadran. Y no cuadran porque falta una variable.

La corriente no es solo cuánta: también importa qué forma tiene. Cuando la onda llega deformada, calienta más de lo que su valor fundamental sugiere, y una parte de ese calor se acumula donde casi nadie mira. Esa deformación explica buena parte de los problemas de calidad de la energía eléctrica en un cuadro industrial.

En esta guía verás qué son, de dónde salen, qué le hacen al embarrado y al neutro, cómo medirlos y cómo elegir la mitigación sin comprar de más.

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Qué son los armónicos eléctricos

Son componentes de corriente o de tensión cuya frecuencia es un múltiplo entero de la fundamental: 150, 250, 350 Hz, y así sucesivamente, sobre una red de 50 Hz. Aparecen cuando una carga no absorbe la corriente de forma senoidal, sino a golpes. Esas son las cargas no lineales, y hoy están en casi todas las salidas de un cuadro.

Cualquier onda deformada puede descomponerse en su fundamental más una serie de armónicos. En baja tensión trifásica, los órdenes habituales son el 3º, el 5º, el 7º, el 11º y el 13º. Dominan los impares porque la mayoría de las cargas deforman por igual el semiciclo positivo y el negativo, y esa simetría anula los pares.

Pero el orden no es lo único que importa; también importa la secuencia. El 5º (secuencia negativa) y el 7º (secuencia positiva) se comportan como corrientes trifásicas normales, desfasadas entre fases. El 3º, el 9º y el 15º, en cambio, son homopolares: están en fase en las tres fases a la vez. Esa diferencia, aparentemente académica, decide qué le pasa al neutro. Volveremos sobre ella.

Si te ha parecido interesante este artículo, quizá también te interese nuestra guía sobre Sistemas de Distribución Eléctrica.

THDi y THDv: por qué importan los dos

La distorsión armónica total (THD) resume en un porcentaje cuánto se aparta la onda de una senoide pura. El analizador te dará dos, y no significan lo mismo.

La THDi describe la distorsión de la corriente que absorbe una carga: es lo que la instalación genera. La THDv describe la distorsión de la tensión en un punto: es lo que sufre todo lo conectado a ese embarrado.

La relación entre ambas es física. Las corrientes armónicas recorren la impedancia de transformadores, cables y barras, y cada una produce su caída de tensión armónica. Así se deforma la tensión para todos. Por eso una tasa de distorsión armónica alta en una salida pequeña puede ser inofensiva. La misma THDi en una salida grande deforma la tensión de todo el cuadro.

Una advertencia práctica: la THDi se expresa en porcentaje sobre la fundamental. Con la carga baja, un variador puede mostrar una THDi muy alta con muy pocos amperios armónicos reales. Mira siempre los amperios de cada orden, no solo el porcentaje.

Mira también el factor de cresta: la relación entre el pico y el valor eficaz. Hay equipos que reaccionan a los picos, no al calor.

¿Quieres profundizar más en este tema? Te recomendamos leer nuestro artículo sobre el mercado de máquinas para embarrados.

Por qué la distorsión calienta más con la misma lectura de pinza

El calentamiento sigue a la corriente eficaz real al cuadrado por la resistencia. Y el valor eficaz de una onda deformada incluye todos sus armónicos, no solo la fundamental.

Aquí hay dos trampas. La primera: una pinza que responde al valor medio subestima una corriente deformada. Para esto necesitas instrumentos de verdadero valor eficaz (TRMS).

La segunda es más sutil. La resistencia efectiva de un conductor sube con la frecuencia, como verás enseguida. Así que cada amperio armónico calienta más que un amperio a 50 Hz. Es decir: la pinza puede estar midiendo bien y aun así el embarrado se calienta más de lo esperado.

Para seguir aprendiendo sobre calentamiento del embarrado, consulta nuestro contenido relacionado.

De dónde salen: las cargas no lineales del cuadro

Cada familia de carga deja su propia firma en el espectro, y reconocerla ahorra mucho tiempo de diagnóstico.

Los variadores de frecuencia y los rectificadores de 6 pulsos generan sobre todo 5º y 7º. Están detrás de bombas, ventiladores y compresores, y su uso crece de la mano de la eficiencia energética en maquinaria industrial.

Los SAI y las cargas de centro de datos combinan rectificadores trifásicos y fuentes monofásicas, así que mezclan firmas.

Cada fuente conmutada de un equipo informático, igual que la iluminación LED, genera un 3º dominante. Una sola no importa; cientos en la misma línea, sí.

Los cargadores de vehículo eléctrico, los inversores fotovoltaicos y los equipos de soldadura añaden contenido variable e intermitente, que cambia con el uso.

La regla práctica: las cargas electrónicas monofásicas llevan el 3º al neutro; los rectificadores trifásicos de 6 pulsos cargan las fases con 5º y 7º.

¿Te gustaría conocer más detalles? En nuestro artículo sobre barras en lugar de cable encontrarás información adicional.

Qué le hacen los armónicos al embarrado

Una pletina no es un componente neutro a 250 o a 350 Hz. Su resistencia efectiva sube, y con ella el calentamiento del embarrado por cada amperio. Aquí es donde los armónicos eléctricos pasan de ser un número del analizador a ser grados en la termografía.

Efecto pelicular y de proximidad en pletinas

La corriente alterna tiende a concentrarse cerca de la superficie del conductor. Es el efecto pelicular. La sección útil se reduce y la resistencia aumenta. La profundidad de penetración es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia: cuanto más alto el orden, más fina la capa que conduce.

Hemos hecho la cuenta para cobre, con una conductividad de unos 58 MS/m y la fórmula clásica δ = √(2 / (μ₀ · ω · σ)):

Ahora léela pensando en una pletina real. Una barra de 10 mm de espesor ya es comparable a la profundidad de penetración a 50 Hz. A 350 Hz, la corriente aprovecha en torno a un tercio de ese espesor por cada cara; el centro de la barra apenas trabaja. Por eso, a frecuencias armónicas, las pletinas planas, finas y más anchas se comportan mejor que las gruesas.

El efecto de proximidad empeora el cuadro. Las barras adyacentes, y las barras en paralelo de una misma fase, redistribuyen la corriente entre sí: las exteriores cargan más que las interiores. La separación y la disposición importan. Poner dos pletinas en paralelo no divide la corriente tan limpiamente como sugiere la sección, y la densidad de corriente real queda desigual.

Este es solo un primer paso para entender el tema. Descubre más en nuestro artículo sobre celdas de media tensión.

Corrientes de Foucault y estructura del cuadro

El campo magnético alterno induce corrientes de Foucault en las piezas metálicas cercanas: soportes, placas, tapas, prensaestopas y las propias paredes de la envolvente. Esas pérdidas crecen aproximadamente con el cuadrado de la frecuencia, así que una instalación cargada de armónicos calienta estructuras que antes estaban frías.

Las señales son curiosas y reconocibles. Una placa de la envolvente templada sin ningún conductor tocándola. Un soporte más caliente que la barra que sujeta.

La solución está en el diseño: fijaciones no magnéticas, distancias suficientes alrededor del embarrado y, sobre todo, no cerrar un circuito magnético alrededor de una sola fase. El mismo criterio vale para las entradas de cable de un armario eléctrico exterior.

Si buscas más información relacionada, no te pierdas nuestro artículo sobre sujeción y aislamiento de embarrados.

Uniones, puntos calientes y ruido

Más corriente eficaz y más resistencia efectiva castigan sobre todo a las uniones, donde la resistencia de contacto ya es el punto débil. Los armónicos aceleran el bucle de calor y relajación del tornillo que describimos en el mantenimiento de cuadros eléctricos: más calor, menos precarga, más resistencia, más calor.

Hay, además, un efecto mecánico. Las fuerzas alternas a frecuencias armónicas pueden hacer vibrar de forma audible barras y soportes. A veces, ese zumbido es el primer síntoma que alguien nota, antes que cualquier medida.

El neutro: la sobrecarga que nadie ve

En un cuadro trifásico de cuatro hilos que alimenta cargas electrónicas, el neutro suele ser el conductor más caliente. Y casi nadie lo mide.

Armónicos homopolares: por qué se suman

En un sistema equilibrado, las corrientes fundamentales de las tres fases se anulan en el neutro. Hasta ahí, lo que enseñan en clase.

Los armónicos homopolares (3º, 9º, 15º) no se anulan. Están en fase entre las tres fases, así que en el neutro se suman aritméticamente.

Un ejemplo: con 10 A de tercer armónico por fase, vuelven 30 A de tercer armónico por el neutro. Y eso ocurre incluso con el sistema perfectamente equilibrado.

La consecuencia es seria. El neutro puede llevar más corriente que cualquiera de las fases y, por lo general, no tiene protección contra sobreintensidades propia. Por eso, en cuadros con mucha carga electrónica monofásica, es práctica habitual reforzar el neutro o, como mínimo, darle la misma sección que las fases.

¿Quieres ampliar tus conocimientos sobre control de calidad en cuadros eléctricos? Hemos preparado una guía completa que puede ayudarte.

Dimensionar el neutro con contenido armónico

El método está normalizado. La ITC-BT-19 del REBT ya exige que, en instalaciones interiores y salvo justificación por cálculo, el neutro tenga como mínimo la sección de las fases, precisamente por los armónicos y los desequilibrios. Para ese cálculo, la UNE HD 60364-5-52 (que sustituye a la UNE 20460-5-523 citada en la ITC) incluye en su anexo E un método simplificado para circuitos con tercer armónico. Supone un sistema equilibrado y el 3º como armónico dominante.

Veamos qué da para una corriente de línea de 50 A:

Fíjate en la última fila: con un 60 % de tercer armónico, el neutro debe dimensionarse para casi el doble de la corriente de fase.

La instrucción es clara. Mide el porcentaje de tercer armónico antes de dimensionar; no lo supongas. Y si el neutro no puede ampliarse, las alternativas son reducir el armónico en el origen o filtrar.

Lo mismo vale dentro del cuadro. La pletina de neutro suele fabricarse, por defecto, con la misma sección que las de fase. Con carga electrónica, esa costumbre puede ser el punto débil de todo el embarrado.

Para completar esta información, también puedes consultar nuestro artículo dedicado a esfuerzos electrodinámicos.

Síntomas de mala calidad de onda en el cuadro

Cada síntoma tiene su mecanismo, y conocerlo evita cambiar piezas a ciegas:

• Disparos intempestivos sin sobrecarga aparente. La parte térmica del interruptor responde al valor eficaz real, que una pinza sin TRMS subestima. Algunos disparadores electrónicos que leen valores de pico interpretan un factor de cresta alto como sobreintensidad. Y los diferenciales pueden disparar por las fugas de alta frecuencia de los filtros EMC de los variadores.
• Transformador caliente y con menos capacidad útil. Las pérdidas crecen con los armónicos; de ahí los transformadores con factor K.
• Baterías de condensadores que fallan o se hinchan. Absorben corriente armónica o entran en resonancia.
• Neutro o barras más calientes que las fases. Homopolares y efecto pelicular.
• Relés y contadores que miden mal. Algunos equipos no están diseñados para ondas deformadas.
• Ruido y vibración en motores. El 5º, de secuencia negativa, crea un par que frena.
• Equipos sensibles que se reinician. THDv alta en el embarrado que los alimenta.

Un factor de potencia que no mejora pese a la compensación suele ser otra pista.

Cómo medir: del analizador al diagnóstico

Una lectura instantánea no demuestra nada. Los armónicos se mueven con el ciclo productivo, y el diagnóstico tiene que seguirles el paso. Este es el flujo de trabajo:

1. Decide dónde medir. Primero en la acometida general, para tener una visión global. Después, en las salidas sospechosas: variadores, SAI, informática. Y, si hace falta, en la carga concreta.
2. Registra lo necesario. Como mínimo: THDi y THDv, el espectro por órdenes, la corriente de cada fase y del neutro, el factor de cresta y la potencia. Durante un ciclo productivo completo, no cinco minutos.
3. Usa el instrumento adecuado. Un analizador de redes conforme a la UNE-EN IEC 61000-4-30, de clase A si el dato va a servir para reclamar o para dimensionar.
4. Correlaciona con termografía. El punto caliente confirma dónde se están disipando esos armónicos.
5. Vuelve a medir después de mitigar. Es la única forma de saber si la solución funciona.

El paso 4 merece una nota. Un espectro sin termografía te dice qué hay; una termografía sin espectro te dice dónde duele. Juntos, te dicen qué hacer. El procedimiento termográfico es el mismo que en cualquier revisión termográfica de cuadros.

¿Te interesa seguir explorando este tema? Lee nuestro artículo sobre sección de una pletina de cobre y descubre más detalles.

Normas aplicables en España: qué obligan y a quién

Aquí es donde más se confunde el lector, porque cada norma responde a una pregunta distinta y obliga a alguien distinto.

UNE-EN 50160. Describe las características de la tensión suministrada por las redes públicas de distribución, en el punto de entrega. En baja tensión, la THD de tensión no debe superar el 8 %. Se evalúa sobre el 95 % de los valores medios de 10 minutos a lo largo de una semana. Y lo que muchas páginas difuminan: obliga a la distribuidora en el punto de entrega, no al cliente dentro de su instalación.

UNE-EN IEC 61000-2-4. Fija niveles de compatibilidad para perturbaciones de baja frecuencia dentro de instalaciones industriales, según la clase de entorno. Para la THDv, son del 5 % en la clase 1 (equipos sensibles), del 8 % en la clase 2 (entorno normal) y del 10 % en la clase 3 (entorno severo). Es la referencia interna.

UNE-EN IEC 61000-3-2 y UNE-EN IEC 61000-3-12. Fijan límites de emisión para equipos: hasta 16 A por fase, y de más de 16 A hasta 75 A por fase. Es lo que debe cumplir el fabricante de un variador o de una fuente de alimentación.

UNE-EN IEC 61000-4-30. Define cómo se mide, incluida la clase A.

¿Y la cifra de THD aceptable? No existe una única para todas las instalaciones. Lo que importa es qué límite aplica en qué punto y si la distorsión interna está dañando tus propios equipos. Y eso puede ocurrir mientras el suministro sigue cumpliendo la EN 50160.

Encontrarás más información útil sobre este tema en nuestro artículo especializado sobre Configuración de embarrado.

Mitigación: cómo elegir sin comprar de más

Las opciones se ordenan del origen al sistema. Es el orden de ingeniería y, además, el más honesto con el presupuesto.

En el origen. Variadores con reactancia de línea o de continua, rectificadores de 12 pulsos o de frente activo, equipos conformes con las normas de emisión. Es la opción más barata por amperio, siempre que se especifique en la compra.

Reactancia de línea. Sencilla y robusta. Reduce la distorsión de corriente de un variador concreto, aunque con atenuación limitada: orientativamente, una reactancia del 3–5 % baja la THDi de un variador de 6 pulsos desde valores del 80–100 % hasta el 35–45 %.

Filtro pasivo. Un filtro de armónicos pasivo se sintoniza a un orden, normalmente el 5º. Es eficaz y económico con carga estable, pero interactúa con la impedancia de la red y puede resonar si la instalación cambia.

Filtro activo. Un filtro activo de armónicos inyecta en tiempo real la corriente opuesta. Cubre muchos órdenes y se adapta a cargas variables. Es más caro, y se dimensiona en amperios de corriente armónica, no en kVA.

Condensadores desintonizados. Si necesitas compensar reactiva en una red distorsionada, la batería de condensadores debe llevar reactancias de desintonía. Las más habituales son del 7 % (sintonía a unos 189 Hz, por debajo del 5º) y del 14 % (unos 134 Hz, cuando hay 3º significativo). Si no, la batería se convierte en el camino de baja impedancia de los armónicos.

Un párrafo sobre resonancia, porque es el problema autoinfligido más frecuente. Una batería convencional más la inductancia de la red forman un circuito resonante, cuyo orden aproximado es h ≈ √(Scc / Qc). Con un transformador de 1000 kVA y un 6 % de tensión de cortocircuito (Scc ≈ 16,7 MVA) y una batería de 400 kvar, h ≈ 6,5: justo entre el 5º y el 7º. En esas condiciones, las corrientes se amplifican y los condensadores fallan. Se instala la batería para mejorar el factor de potencia y, al poco, aparecen condensadores hinchados.

La regla de decisión cabe en una línea: mide primero, identifica los órdenes dominantes y cuánto varía la carga, y después elige. Con los armónicos eléctricos, un filtro instalado sin campaña de medida es una suposición con factura.

Si este contenido te ha servido de ayuda, te invitamos a descubrir también nuestro artículo sobre distancias de aislamiento y líneas de fuga.

Checklist de diagnóstico

1. ¿Hay calentamiento sin sobrecarga aparente?
2. ¿Se ha medido la corriente de neutro?
3. ¿Qué órdenes dominan el espectro?
4. ¿La THDv en el embarrado está afectando a otros equipos?
5. ¿Hay una batería de condensadores sin reactancia de desintonía?
6. ¿Coincide el punto caliente de la termografía con la salida sospechosa?
7. ¿Se puede actuar en el origen antes de filtrar?
8. ¿Se ha vuelto a medir después de la mitigación?

¿Quieres conocer otros aspectos relacionados con este tema? Consulta nuestra guía sobre blindobarra.

Del espectro al metal

La cadena es siempre la misma. Cargas no lineales, corriente deformada, más calor en barras, uniones y neutro, y síntomas que parecen no tener relación entre sí. Los armónicos eléctricos no se ven con una pinza convencional, pero se notan en el cobre.

El método tampoco cambia: mide, interpreta el espectro, dimensiona bien el neutro y elige la mitigación con criterio. Y cuando la pletina de neutro se queda corta, la solución definitiva es rehacerla con la sección correcta. Ese trabajo corresponde a las máquinas para pletinas, que cortan, punzonan y pliegan la barra nueva a medida.

Preguntas frecuentes