Distorsión armónica (THD) en instalaciones LED y VFD

¿Qué son los armónicos?

Un suministro sinusoidal puro opera a la frecuencia fundamental — 50 Hz en Europa. Cuando una carga no lineal consume corriente que no sigue una forma de onda sinusoidal, esa corriente contiene componentes de frecuencia que son múltiplos enteros de la fundamental. Estos son los armónicos. El 3.er armónico es de 150 Hz, el 5.º de 250 Hz, el 7.º de 350 Hz, etc. En sistemas trifásicos, dominan los armónicos de orden impar, y los armónicos triplen (3.º, 9.º, 15.º) se comportan de manera diferente porque están en fase en las tres fases en lugar de cancelarse como lo hacen los armónicos balanceados.

Las principales fuentes de armónicos de corriente en edificios modernos son los drivers LED (fuentes de alimentación conmutadas que operan a alta frecuencia), los variadores de frecuencia (VFD) con rectificador de diodos de 6 pulsos, los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), las fuentes de alimentación conmutadas para equipos de TI y fuentes de alimentación de dispositivos KNX, y los balastros electrónicos en luminarias fluorescentes antiguas. Cada uno consume corriente en pulsos en los picos de la forma de onda de tensión en lugar de hacerlo de forma continua.

THD-I vs THD-V

THD-I (distorsión armónica total de corriente) es la relación entre el valor eficaz de todas las componentes armónicas de corriente y el valor eficaz de la corriente fundamental, expresada como porcentaje. Se mide en los terminales de carga — en la entrada del driver LED, VFD o UPS — y describe cuán distorsionada está la corriente consumida por esa carga. Una carga puramente resistiva tiene THD-I = 0%. Un driver LED conmutado típico sin corrección del factor de potencia mide un THD-I del 80–120%.

THD-V (distorsión armónica total de tensión) es la relación entre el valor eficaz de todas las componentes armónicas de tensión y la tensión fundamental, medida en el bus de alimentación. Las corrientes armónicas que fluyen a través de la impedancia de fuente del sistema de alimentación causan tensiones armónicas — la caída de tensión armónica a través de la impedancia aparece como distorsión de la tensión del bus. El THD-V afecta a todos los equipos conectados al bus, no solo a la carga generadora de armónicos. Esta es la distinción: THD-I es una propiedad de la carga; THD-V es una propiedad de la red y afecta a cada dispositivo conectado.

Voltage harmonic at order h:
  Vh = Ih × Zh

Where:
  Vh = harmonic voltage component at order h (V)
  Ih = harmonic current component at order h (A)
  Zh = source impedance at harmonic frequency h (Ω)

Source impedance increases with frequency:
  Z at 250Hz (5th) = 5 × Z at 50Hz (fundamental)
  Z at 350Hz (7th) = 7 × Z at 50Hz

Higher source impedance (weak supply, long cables) →
more THD-V for the same THD-I load

THD-I measured: at load input terminals (per IEC 61000-3-2)
THD-V measured: at supply bus (per EN 50160)

Límites de clase C de IEC 61000-3-2 para luminarias LED

La norma IEC 61000-3-2 establece los límites de emisión de corriente armónica para equipos con corriente de entrada de hasta 16 A por fase conectados a redes públicas de suministro de BT. La clase C cubre los equipos de iluminación, incluyendo luminarias LED y sus drivers. Para luminarias con potencia nominal superior a 25 W, la norma especifica los límites armónicos como un porcentaje de la corriente fundamental, dependiendo el límite del 3er armónico del factor de potencia (cos phi) de la luminaria.

EN 50160 calidad de la tensión en el punto de conexión BT

La norma EN 50160 define las características que las empresas suministradoras deben proporcionar en el punto de suministro de baja tensión. Para los armónicos de tensión, la norma especifica que el THD-V no debe superar el 8% como promedio semanal de intervalos de medición de 10 minutos. Se aplican límites individuales de tensión armónica para armónicos hasta el orden 25: por ejemplo, el 3.er armónico no debe superar el 5% del fundamental, el 5.º no debe superar el 6%, el 7.º no debe superar el 5%.

Las empresas suministradoras miden el cumplimiento registrando promedios RMS de 10 minutos durante un período de medición continuo de 7 días utilizando instrumentos de calidad de energía de clase A. La aplicación varía según el país – en la UE, las quejas sobre calidad de tensión se tramitan a través de la autoridad reguladora nacional. Para los instaladores, la EN 50160 establece el límite superior de lo que la red de suministro entrega; si el THD-V se acerca al 8% antes de conectar su carga, agregar más equipos generadores de armónicos corre el riesgo de exceder el límite y degradar la calidad del suministro para otros consumidores en el alimentador.

Impacto en instalaciones KNX y componentes de cuadros

Las corrientes armónicas causan problemas específicos en las instalaciones de edificios que los diseñadores de cuadros KNX deben tener en cuenta. El efecto más crítico en instalaciones trifásicas con cargas LED monofásicas es la sobrecarga del conductor neutro. En un sistema trifásico equilibrado, las corrientes fundamentales se cancelan en el neutro. Sin embargo, los armónicos triplen (3.º, 9.º, 15.º) están en fase en las tres fases – se suman aritméticamente en el neutro en lugar de cancelarse. En una instalación trifásica completamente cargada con drivers LED monofásicos de alto THD, la corriente de neutro del 3.er armónico puede igualar o superar la corriente de fase.

3 x 20A phase circuits, THD-I = 90%, 3rd harmonic = 70%:

  3rd harmonic current per phase: 20A × 70% = 14A
  Neutral 3rd harmonic current:   14A × 3 = 42A (adds in neutral)
  Fundamental neutral current:    cancels (balanced 3-phase)

  Total neutral current ≈ 42A (exceeds 20A phase current!)

IEC 60364-5-52 Table 52-D:
  For THD > 15%, size neutral conductor at 1.45× phase rating
  In high-THD LED installations: use same CSA neutral as phase,
  or upsize neutral by one cross-section (e.g. 4mm² phase → 6mm² neutral)

MCB false tripping:
  High-frequency harmonic currents cause MCB thermal element
  to see higher RMS current than 50Hz-only meters show.
  Derate MCB to 0.8× rated current in high-THD circuits.

Las fuentes de alimentación KNX son dispositivos basados en SMPS. Un THD-V elevado en la entrada de red provoca ondulación en la salida del bus KNX de 29 V CC, reducción de la eficiencia del SMPS y envejecimiento acelerado de los condensadores electrolíticos de entrada. La vida útil de los condensadores se reduce a la mitad por cada aumento de 10°C en la temperatura de funcionamiento: los armónicos aumentan las pérdidas y, por lo tanto, la temperatura. En entornos con alto THD, especifique fuentes de alimentación KNX con etapas de entrada de corrección activa del factor de potencia (PFC), como MDT STC-0640.02 o ABB SU/S 6.5.1, que rechazan el contenido armónico de manera más efectiva que los diseños SMPS pasivos.

Armónicos VFD y mitigación con reactor de línea

Un variador VFD estándar de 6 pulsos tiene una etapa frontal de rectificador de diodos que solo consume corriente cerca de los picos de la forma de onda de la tensión de alimentación. Esto produce un espectro armónico característico dominado por el 5º armónico (250 Hz) y el 7º armónico (350 Hz), con el 5º típicamente al 25–35% del fundamental y el 7º al 8–15%. El THD-I de un variador estándar de 6 pulsos sin mitigación es típicamente del 35–50%.

Medición: cuándo y cómo evaluar el THD

La medición del THD requiere un analizador de calidad de energía True-RMS capaz de resolver armónicos individuales hasta al menos el orden 40. Los instrumentos adecuados incluyen el Fluke 435 Series II (clase A según IEC 61000-4-30), el Chauvin Arnoux C.A. 8336 y el analizador de energía Carlo Gavazzi EM24 (monitoreo continuo). Conecte el analizador en el cuadro de subdistribución que alimenta las cargas sospechosas y mida el THD-I y los porcentajes armónicos individuales en condiciones de carga representativas.

Ocasiones críticas de medición: antes de instalar bancos de condensadores (los condensadores pueden resonar con la inductancia de la red a frecuencias armónicas, amplificando la tensión armónica — siempre mida el THD-V antes de agregar bancos de condensadores a una instalación con muchos variadores); después de grandes proyectos de retrofit LED (comparación antes vs después); cuando los MCB disparan sin sobrecarga aparente (corriente RMS armónica que causa disparo térmico); al investigar problemas de estabilidad del bus KNX (THD-V que llega a la entrada de la fuente de alimentación KNX).

Filtros armónicos pasivos

Un filtro armónico pasivo consiste en un circuito LC serie sintonizado para presentar baja impedancia a una frecuencia armónica específica, conectado en derivación (paralelo) con el bus de alimentación. Las corrientes armónicas de la frecuencia sintonizada toman el camino de baja impedancia a través del condensador y la inductancia del filtro en lugar de fluir de vuelta a la red. Un filtro de 5º armónico se sintoniza a 250 Hz: los valores de C y L se eligen de modo que 1 / (2π × 250 × sqrt(LC)) = 1.

For distributed installations — multiple VFDs spread across a building — filtering at source (one filter per VFD, typically a line reactor or integrated input filter) is preferred over a single large central filter. Central filtering requires the filter to handle the combined harmonic current of all loads and adds complexity; source filtering keeps each drive's harmonics contained. For centralised solutions with large motor control centres, a tuned passive filter bank rated for the total drive kVA may be more economical.

Filtros armónicos activos

Los filtros armónicos activos (AHF) — también llamados acondicionadores de potencia activos — miden en tiempo real la corriente armónica consumida por la carga mediante un transformador de corriente y un controlador DSP, luego inyectan corrientes armónicas opuestas a través de un inversor PWM para cancelar los armónicos medidos en el punto de acoplamiento común. A diferencia de los filtros pasivos, un AHF se adapta a las condiciones cambiantes de carga y puede corregir simultáneamente armónicos hasta el orden 50 y proporcionar compensación de potencia reactiva.

Productos representativos: ABB PQFI (unidades de 30–200 A, interfaz Modbus TCP), Schaffner ECOsine Active (25–200 A). Ambos proporcionan registros Modbus TCP para THD-I y THD-V antes/después de la compensación, niveles armónicos individuales y estado del filtro. Para la integración KNX, conecte la salida Modbus TCP del AHF a una puerta de enlace WAGO 750-362 Modbus TCP configurada con el módulo acoplador KNX. Asigne THD-V L1/L2/L3 a direcciones de grupo KNX con DPT 9.002 (flotante de 2 bytes) y establezca una lógica de alarma por umbral en el bloque comparador KNX para disparar una alarma cuando THD-V supere el 5%.

Integración KNX: registros Modbus Carlo Gavazzi EM24

El analizador de energía Carlo Gavazzi EM24 admite Modbus RTU (RS-485) y Modbus TCP (a través de un módulo Ethernet opcional). Para la monitorización continua de THD integrada en un sistema de automatización de edificios KNX, la arquitectura recomendada es: EM24 Modbus RTU → módulo WAGO 750-485 RS-485 en un controlador de bus de campo WAGO 750-352 maestro Modbus RTU → mapeo de direcciones de grupo KNX en ETS6.

Register  Address  Description                   Format      Scale
0x0028    40041    THD-V L1 (%)                 uint16      ÷10 (e.g. 35 = 3.5%)
0x0029    40042    THD-V L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002A    40043    THD-V L3 (%)                 uint16      ÷10
0x002B    40044    THD-I L1 (%)                 uint16      ÷10
0x002C    40045    THD-I L2 (%)                 uint16      ÷10
0x002D    40046    THD-I L3 (%)                 uint16      ÷10

Suggested KNX group address mapping:
5/7/1  THD-V L1 (DPT 9.002, %)
5/7/2  THD-V L2 (DPT 9.002, %)
5/7/3  THD-V L3 (DPT 9.002, %)
5/7/4  THD-I L1 (DPT 9.002, %)
5/7/5  THD-I L2 (DPT 9.002, %)
5/7/6  THD-I L3 (DPT 9.002, %)

Alert logic (ETS6 comparator block):
IF THD-V L1 (5/7/1) > 5.0% → send TRUE to 5/7/90 (THD alarm)
→ KNX alarm indicator activation + HA push notification