Cálculo de Distorsión Armónica Total (THD) en Sistemas Eléctricos

La distorsión armónica total (THD) es clave para evaluar la calidad energética en sistemas eléctricos diversos.
Representa la presencia de armónicos que alteran la forma senoidal de corriente o tensión ideal.

Calculadora de Distorsión Armónica Total (THD)

Tensión Fundamental (V₁): 3er Armónico (V₃): 5to Armónico (V₅): 7mo Armónico (V₇):

Tabla de valores comunes de THD en sistemas eléctricos

Tipo de sistema o equipo	THD de tensión aceptable (%)	THD de corriente típica (%)	Norma de referencia
Sistemas de alimentación crítica	< 3 %	< 5 %	IEEE 519
Motores de inducción	< 5 %	20 – 40 %	NEMA MG-1
Centros de datos	< 2 %	< 15 %	TIA-942 / IEEE 519
Iluminación LED	< 5 %	30 – 50 %	IEC 61000-3-2
Cargas no lineales (variadores)	< 5 %	Hasta 100 %	IEEE 519 / IEC 61000
Sistemas fotovoltaicos conectados	< 3 %	5 – 20 %	IEC 61727 / IEEE 1547
Hospitales y quirófanos	< 3 %	< 10 %	IEEE 519 / NEC
Subestaciones industriales	< 5 %	< 20 %	IEEE 519

Fórmulas para el cálculo de THD

1. THD en tensión o corriente (porcentaje):

Donde:

2. Distorsión de demanda (TDD):

Donde:

Esta métrica es clave para comparar el impacto de armónicas independientemente de la carga instantánea.

Valores comunes de las variables

Orden de armónicas (n): Generalmente se consideran hasta el orden 25 o 50.
V_1 (tensión fundamental): Por ejemplo, 230 V o 400 V en sistemas trifásicos europeos.
I_1 (corriente fundamental): Puede ir desde unos pocos amperios hasta miles, dependiendo del sistema.
V_n, I_n: Normalmente en sistemas con distorsiones moderadas, las componentes armónicas tienen valores mucho menores que la fundamental.

Ejemplos del mundo real de cálculo de THD

Caso 1: Centro de datos con UPS y sistemas de climatización

Situación: Un centro de datos tiene un sistema de alimentación con UPS, aire acondicionado y servidores. Se midieron las siguientes armónicas de corriente:

Cálculo del THD:

Interpretación: La THD de 39 % está por encima del 15 % recomendado para centros de datos. Es necesario instalar filtros activos o reactivos.

Caso 2: Instalación industrial con variadores de frecuencia (VFD)

Situación: En una planta de embotellado, se utilizan motores con VFD que generan las siguientes armónicas de tensión

Cálculo del THD:

Interpretación: Aunque la THD está por debajo del 8 % permitido por IEEE 519 para tensión en sistemas industriales, se recomienda monitoreo continuo y compensación si crece el número de VFDs.

Efectos negativos de la distorsión armónica total

Calentamiento excesivo: En motores, transformadores y cables debido a corrientes armónicas adicionales.
Fallas en equipos electrónicos: Los controladores, PLC y equipos de telecomunicación pueden operar con errores o incluso averiarse.
Activación errónea de protecciones: Relés, disyuntores y protecciones diferenciales pueden dispararse sin causa real.
Reducción del factor de potencia: Las armónicas contribuyen a un bajo factor de potencia y penalizaciones en la factura eléctrica.
Interferencia electromagnética (EMI): Las altas frecuencias pueden afectar señales de control, comunicación y medición.

Mitigación de THD en sistemas eléctricos

Para mantener los niveles de THD dentro de los márgenes normativos, se pueden implementar diversas estrategias:

Filtros pasivos: Diseñados para eliminar una o varias frecuencias armónicas específicas (comunes en el orden 5, 7 y 11).
Filtros activos: Dispositivos electrónicos avanzados que detectan y cancelan múltiples armónicas en tiempo real.
Reactores de línea y transformadores con impedancia: Reducen el efecto de las armónicas al limitar las corrientes no lineales.
Transformadores con desplazamiento de fase (Delta-Zigzag): Permiten cancelar algunas armónicas al dividir la carga entre sistemas desplazados en fase.
Rediseño de la arquitectura de cargas: Agrupación de cargas no lineales, cambio de cargas a fuentes menos distorsionantes, uso de fuentes de alimentación con corrección de factor de potencia (PFC).

Normativas internacionales relevantes

IEEE 519-2014: Establece límites de THD de tensión y corriente para distintos niveles de voltaje y corriente en el punto de conexión común (PCC).
IEC 61000-3-2 / 3-4: Define límites de emisión de armónicas para equipos conectados a redes de baja y media tensión.
NEMA MG-1: Normas aplicables a motores eléctricos y su tolerancia a tensiones distorsionadas.
IEC 61727: Relativo a la conexión de sistemas fotovoltaicos a la red pública.

Equipos y métodos de medición de THD

Analizadores de calidad de energía: Instrumentos portátiles o fijos que miden la distorsión armónica de corriente y tensión.
Osciloscopios digitales: Permiten visualizar la forma de onda y detectar la distorsión senoidal.
Sistemas SCADA con módulos de monitoreo armónico: Monitoreo en tiempo real a nivel de subestación o red.
Software de simulación eléctrica: Como ETAP, DIgSILENT PowerFactory o MATLAB/Simulink, para prever y modelar THD.

Recomendaciones finales para la gestión del THD

Realizar auditorías periódicas de calidad de energía.
Aplicar soluciones adaptadas al tipo de carga y condiciones de operación.
Combinar estrategias pasivas y activas para mayor eficacia.
Verificar siempre el cumplimiento de normativas locales e internacionales.

Referencias recomendadas:

Este artículo proporciona una base sólida y actualizada para comprender, calcular y mitigar la distorsión armónica total en sistemas eléctricos modernos.