1. ¿Qué son los armónicos en los VFD?

En la automatización industrial moderna, los variadores de frecuencia (VFD) son esenciales para el ahorro de energía y el control preciso de motores. Sin embargo, también introducen un desafío eléctrico: la distorsión armónica.

Como cargas no lineales, los VFD no consumen corriente de forma continua, sino en pulsos, generando corrientes armónicas en la red. Estas son formas de onda distorsionadas que se superponen a la frecuencia fundamental (50Hz o 60Hz), causando problemas de calidad de energía, pérdidas adicionales y posibles fallos en equipos.

Comprender estos armónicos es el primer paso para mejorar la eficiencia y la fiabilidad del sistema eléctrico.

2. Principales fuentes de armónicos en los VFD

¿De dónde provienen estos armónicos? Para responder, debemos observar el interior de un VFD típico, como los de la serie K-DRIVE.

La etapa de entrada suele estar compuesta por un rectificador de diodos que convierte la tensión AC en DC. Este rectificador solo conduce cuando la tensión instantánea supera la del bus DC, lo que ocurre cerca del pico de la onda.

Como resultado, la corriente de entrada no es sinusoidal, sino una serie de pulsos estrechos de alta amplitud. Según el análisis de Fourier, estos pulsos contienen la frecuencia fundamental y múltiples armónicos.

En un rectificador de seis pulsos, los armónicos más comunes son el 5°, 7°, 11° y 13°. Su efecto combinado puede afectar seriamente la calidad de energía del sistema.

3. Impactos negativos de los armónicos

Los armónicos no son solo un concepto teórico; generan problemas reales en la operación industrial. Cuando circulan en el sistema eléctrico, pueden provocar múltiples fallos:

• Sobrecalentamiento de transformadores y conductores neutros debido a mayores pérdidas

• Disparos intempestivos de interruptores por mala interpretación de corrientes

• Fallo prematuro de capacitores de corrección de factor de potencia

• Vibraciones de par, ruido y calentamiento en motores, reduciendo su eficiencia y vida úti

4. Cómo mitigar los armónicos (Parte 1: soluciones básicas)

La mitigación efectiva comienza con un buen diseño del sistema y la selección adecuada de componentes. En muchos casos, no se requieren soluciones complejas; medidas simples pueden lograr mejoras significativas.

El método más común es instalar un reactor de línea AC del 3% o 5% en la entrada del VFD. Este aumenta la impedancia y suaviza los pulsos de corriente, reduciendo los armónicos.

Otra opción es el uso de inductancias DC entre el rectificador y el bus DC. Muchos VFD de K-DRIVE ya incluyen esta solución, ofreciendo una forma económica y efectiva de reducir armónicos y proteger el sistema.

5.Cómo mitigar los armónicos (Parte 2: soluciones avanzadas) 

Para instalaciones con equipos sensibles o alta concentración de VFD, las soluciones básicas pueden no ser suficientes. En estos casos, se requieren tecnologías más avanzadas:

• Passive Harmonic Filters: Diseñados para eliminar armónicos específicos (como 5° y 7°), proporcionando un camino de baja impedancia y evitando su propagación.

• Active Harmonic Filters (AHF): Detectan armónicos en tiempo real e inyectan corrientes opuestas para cancelarlos en un amplio rango de frecuencias.

En aplicaciones de energía solar, como los inversores de bombeo K-DRIVE, se utilizan algoritmos MPPT y técnicas optimizadas que generan una energía más limpia, cumpliendo normas eléctricas y maximizando el rendimiento.

 

6. El papel de los arrancadores suaves

Al hablar de VFD, también es importante considerar otras soluciones de control de motores. En muchas instalaciones, los arrancadores suaves K-DRIVE se utilizan para controlar la aceleración de motores de inducción.

A diferencia de los VFD, los arrancadores suaves usan tiristores para reducir el voltaje durante el arranque y luego se desvían mediante contactores cuando el motor alcanza su velocidad nominal.

Durante el arranque pueden generar algunos armónicos, pero en menor medida que los VFD. Además, como dejan de actuar después del arranque, su impacto en los armónicos a largo plazo es muy bajo.

Para aplicaciones sin control de velocidad pero con necesidad de arranque suave, son una alternativa eficiente y con bajo impacto armónico.

7. Conclusión y compromiso de K-DRIVE