Armónicos en fuente DC con múltiples VFDs
Cada accionamiento de frecuencia variable (VFD) con rectificador de 6 pulsos inyecta corrientes armónicas de 5°, 7°, 11° y 13° orden en la red. Cuando varios VFDs comparten el mismo alimentador o un bus DC común, los efectos se combinan de forma no trivial — y los límites de IEEE 519-2022 son más restrictivos de lo que los ingenieros suelen anticipar.
01El rectificador de 6 pulsos y su espectro armónico
El frente de entrada de prácticamente todos los VFDs de propósito general es un puente rectificador de 6 pulsos (tres puentes diodo o tiristor). A diferencia de una carga resistiva o inductiva, el rectificador no consume corriente sinusoidal sino una corriente pulsante que contiene armónicos significativos.
Para p = 6: h = 5, 7, 11, 13, 17, 19…
Amplitud teórica (sin filtro): I_h ≈ I_1 / h
I₅ ≈ 20%, I₇ ≈ 14%, I₁₁ ≈ 9%, I₁₃ ≈ 7%
THDi ≈ 30–45% (sin reactancia de línea)
En la práctica, la presencia de reactancias de línea, la impedancia del transformador y el banco de condensadores del bus DC modifican ligeramente estos valores, pero la estructura de armónicos impares de orden 6k±1 siempre está presente. Los armónicos de secuencia cero (3°, 9°, 15°) no aparecen en el rectificador trifásico de 6 pulsos porque se cancelan en el puente.
02Múltiples VFDs en el mismo alimentador AC
Cuando varios VFDs con rectificadores de 6 pulsos se conectan al mismo transformador o alimentador, sus corrientes armónicas se suman en la impedancia compartida. La forma en que se suman depende del desfase entre los armónicos de las distintas cargas:
- Suma fasorial (peor caso): Si todos los VFDs están sincronizados con la misma red y no hay desfases entre ellos, los armónicos de la misma frecuencia se suman en fase. La corriente armónica total I_h = n × I_h,individual para n variadores idénticos.
- Suma cuadrática (caso probabilístico): En instalaciones reales, los VFDs operan a cargas y velocidades distintas, lo que introduce cierta diversidad de fase. La norma IEEE 519-2022 §5.1.1 permite la suma cuadrática (RSS) cuando hay evidencia de diversidad de carga: I_h,total = √(n) × I_h,individual.
- Impacto en el neutro: En sistemas de distribución TN-S, los armónicos de orden 3° (triple) se suman en el neutro y pueden sobrecargarlo. Sin embargo, los rectificadores trifásicos de 6 pulsos no generan 3° armónico — este efecto se presenta en cargas monofásicas (ordenadores, fluorescentes electrónicos).
03Topología de bus DC común
La arquitectura de bus DC común consiste en un único rectificador de gran potencia que alimenta varios inversores (uno por motor) a través de un bus de continua compartido. Esta topología es ampliamente utilizada en líneas de producción, plantas de papel, sectores de tracción y ascensores de alta densidad.
04Rizado y resonancia en el bus DC
El bus DC de un VFD de 6 pulsos presenta una tensión con componente de rizado a 6 veces la frecuencia de red (6 × 50 Hz = 300 Hz en sistemas europeos, 6 × 60 Hz = 360 Hz en América del Norte). Este rizado es inherente a la rectificación y tiene implicaciones directas sobre el sistema cuando varios inversores comparten el mismo bus.
V_rizado ≈ V_DC × (2.7% / C_bus[mF] × I_carga[A])
Frecuencia de resonancia bus DC:
f_res = 1 / (2π × √(L_bus × C_bus))
Para L_bus = 50 µH, C_bus = 10 mF:
f_res = 1 / (2π × √(50×10⁻⁶ × 10×10⁻³))
f_res ≈ 225 Hz — próxima a 4° y 5° armónico → riesgo de resonancia
La resonancia en el bus DC es un problema real en instalaciones con cables DC largos (alta inductancia de cable) y condensadores de bus grandes. Si la frecuencia natural del sistema L-C del bus cae cerca de los 250 Hz (5° armónico) o 350 Hz (7° armónico), se produce una amplificación de la tensión de rizado que puede disparar las protecciones por sobretensión del bus DC o dañar los condensadores de electrolítico por corriente de rizado excesiva.
05IEEE 519-2022: límites de armónicos de corriente
La norma IEEE 519-2022 define los límites de distorsión de corriente armónica en el PCC (Punto de Conexión Común con la red pública o con otros usuarios) en función de la relación de cortocircuito Isc/IL, donde Isc es la corriente de cortocircuito disponible en el PCC e IL es la demanda de corriente máxima de carga.
| Isc / IL | I₃–I₉ (%IL) | I₁₁–I₁₅ (%IL) | I₁₇–I₂₁ (%IL) | TDD máx (%) |
|---|---|---|---|---|
| < 20 | 4.0 | 2.0 | 1.5 | 5.0 |
| 20–50 | 7.0 | 3.5 | 2.5 | 8.0 |
| 50–100 | 10.0 | 4.5 | 4.0 | 12.0 |
| 100–1000 | 12.0 | 5.5 | 5.0 | 15.0 |
| > 1000 | 15.0 | 7.0 | 6.0 | 20.0 |
06Mitigación: rectificadores de 12 pulsos y AFE
Las alternativas de mitigación más efectivas actúan sobre el frente de entrada del VFD o del sistema centralizado, reduciendo la generación de armónicos en origen:
07Filtros pasivos y reactancias de línea
Cuando no es posible o económico reemplazar los rectificadores de 6 pulsos existentes, los filtros pasivos y las reactancias de línea son las opciones de mitigación más empleadas:
- Reactor de línea CA (Line Reactor): Inductancia serie (1.5%, 3%, 5%) en la entrada AC del VFD. Limita la tasa de cambio de corriente durante la conducción de los diodos, reduciendo la amplitud del pico de corriente de carga. Solución económica y muy utilizada para potencias hasta ~200 kW. No elimina los armónicos sino que los reduce.
- Filtros de armónicos pasivos (harmonic traps): Circuitos L-C resonantes en paralelo sintonizados a la frecuencia de los armónicos a filtrar (habitualmente 5° y 7° = 250 Hz y 350 Hz). Muy efectivos pero pueden crear problemas de resonancia paralela con la red si la impedancia de la red cambia (variación de transformador, parada de carga).
- Filtros activos de armónicos (Active Harmonic Filter, AHF): Inversores que inyectan corrientes armónicas de compensación en oposición de fase. Pueden instalarse en paralelo y se adaptan dinámicamente a los cambios de carga. THDi < 5% incluso con cargas variables. Solución más flexible para sistemas con múltiples VFDs de distintas potencias.
08Medición y diagnóstico
Para verificar el cumplimiento de IEEE 519-2022 o diagnosticar problemas de armónicos en instalaciones con múltiples VFDs, se requiere medición en el PCC con instrumentos de calidad de energía que cumplan IEC 61000-4-7 clase I:
- Identificar el PCC: Para instalaciones industriales, el PCC es normalmente las bornas de MT del transformador o el punto de entrega de la empresa distribuidora. Para análisis internos, puede ser la barra principal del cuadro de BT.
- Medir durante el ciclo de producción completo: Los armónicos varían con la carga. IEEE 519-2022 requiere medición durante el 100% del ciclo de demanda máxima. Una medición de 10 minutos a plena carga no es representativa de una planta con ciclos variables.
- Registrar V y I armónicas: Medir THDi, TDD, I_h para cada armónico hasta el 50° orden (IEC 61000-4-7). Instrumentos: Fluke 435-II, Dranetz HDPQ, Hioki PQ3100, o analizadores de red permanentes (ION, ABB.).
- Calcular TDD correctamente: Obtener I_L (demanda máxima) de las lecturas de energía históricas, no del valor instantáneo durante la medición.
- Comparar con límites IEEE 519-2022: Verificar cada orden armónico individual y el TDD total contra la tabla de límites según la relación I_sc/I_L calculada con el estudio de cortocircuito de la instalación.
09Conclusión y criterios de diseño
🔌 Guía de diseño para instalaciones con múltiples VFDs
- Cada VFD de 6 pulsos sin filtro genera THDi del 45–55%. Con reactor de línea del 3% se reduce a ~30%; con reactor del 5%, a ~25%. Para cumplir IEEE 519-2022 en relaciones Isc/IL bajas (< 50) se necesitan soluciones adicionales.
- El análisis de armónicos debe realizarse a nivel del PCC, sumando las contribuciones de todos los VFDs. Para instalaciones con > 5 variadores, realizar un estudio de flujo de armónicos antes de seleccionar la mitigación.
- La topología de bus DC común es más favorable desde el punto de vista de armónicos AC (un único rectificador) y permite la regeneración entre ejes, pero requiere diseñar cuidadosamente el banco de condensadores y la inductancia del bus para evitar resonancias en el rango 200–400 Hz.
- Para nuevas instalaciones > 100 kW totales con múltiples VFDs, considerar rectificadores de 12 pulsos o AFE como solución base, y reservar los reactores de línea del 3% como mitigación mínima para potencias unitarias < 37 kW.
- El filtro activo de armónicos (AHF) es la solución más flexible para instalaciones existentes con mezcla de cargas lineales y no lineales, y puede instalarse centralmente en la barra principal para compensar todos los drives simultáneamente.
Referencias normativas y técnicas
- IEEE 519-2022 — Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, IEEE, 2022
- IEC 61000-3-12:2011 — Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current > 16 A and ≤ 75 A per phase
- IEC 61000-4-7:2002 — General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation
- Dugan, R.C. et al. — Electrical Power Systems Quality, 3rd ed., McGraw-Hill, 2012 (Capítulo 5: Harmonics)
- Mohan, N.; Undeland, T.M.; Robbins, W.P. — Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3rd ed., Wiley, 2002
- IEC 61800-3:2017 — Adjustable speed electrical power drive systems — Part 3: EMC requirements and specific test methods
