Interarmónicos: la perturbación de la calidad de la energía que no aparece en los analizadores de armónicos estándar
| Definición | Componentes de frecuencia que NO son múltiplos enteros de la fundamental, por ejemplo. 75 Hz, 130 Hz, 267 Hz en un 50 sistema Hz |
| Definición CEI | IEC 61000-2-1: “Entre los armónicos de la tensión y la corriente de frecuencia industrial., Se pueden observar más frecuencias que no son un número entero de la fundamental.” |
| Fuentes clásicas | Cicloconvertidores · Hornos de arco · Accionamientos AC/DC a velocidad variable · Hornos de inducción · Cargas pulsantes no sincronizadas con la fundamental |
| Nuevas fuentes de DER | inversores fotovoltaicos (Ondulación del algoritmo MPPT) · Aerogeneradores (frecuencia de deslizamiento) · Cargadores de vehículos eléctricos (asimetría de conmutación) · Convertidores HVDC (interacciones del circuito de control) |
| Efecto más peligroso | Parpadeo: un interarmónico en la frecuencia fHI produce un parpadeo de voltaje a la frecuencia del batido |FHI - 50| Hz. A una frecuencia de batido de 0 a 15 Hz, el parpadeo cae en el rango de máxima sensibilidad visual humana |
| Caso de campo | Instalación BT con panel fotovoltaico + cargador de vehículos eléctricos + Microondas: el funcionamiento simultáneo produce interarmónicos estocásticos que provocan parpadeos de luz y fluctuaciones de voltaje del bus de CC. |
| Problema de medición | Analizadores de armónicos estándar basados en FFT (IEC 61000-4-7) asumen múltiplos enteros de la fundamental: interpretan erróneamente los interarmónicos como ruido extendido en lugar de componentes tonales discretos |
| Estado regulatorio | IEC 61000-3-6 proporciona niveles de planificación para interarmónicos en MV/HV, pero no se establecen límites de emisión para equipos individuales en LV |
01 ¿Qué son los interarmónicos??
El análisis armónico clásico supone que todo el contenido no sinusoidal en las formas de onda de voltaje y corriente del sistema de energía consta de múltiplos enteros de la frecuencia fundamental: 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz, y así sucesivamente en 50 Hz. Esta suposición es válida para el funcionamiento en estado estable de la mayoría de las cargas no lineales tradicionales.: Un rectificador de 6 pulsos conectado a un suministro de CA rígido produce corrientes armónicas en el quinto., 7ª, 11ª, 13órdenes, y su magnitud es relativamente constante en el tiempo.
Los interarmónicos son componentes de frecuencia que rompen esta suposición.. Ocurren en frecuencias que no son múltiplos enteros de la fundamental. 75 Hz, 130 Hz, 183 Hz, 267 Hz, o cualquier otro valor entre los órdenes armónicos. IEC 61000-2-1 los define con precisión: “Entre los armónicos de la tensión y la corriente de frecuencia industrial., Se pueden observar más frecuencias que no son un número entero de la fundamental.. Pueden aparecer como frecuencias discretas o como un espectro de banda ancha.”
Cuando un componente interarmónico cae por debajo de la frecuencia fundamental, por ejemplo, 35 Hz o 20 Hz en un 50 Sistema Hz: a veces se le llama subarmónico.. IEC 61000-2-1 señala que “El término subarmónico no tiene ninguna definición oficial, sino que es simplemente un caso especial de interarmónico para componentes de frecuencia menores que la frecuencia del sistema de energía.. Se prefiere el uso del término componente de frecuencia subsíncrona.” Los subarmónicos son particularmente problemáticos porque pueden excitar resonancias mecánicas en maquinaria giratoria: oscilaciones torsionales del eje de la turbina., por ejemplo, en frecuencias por debajo de la fundamental, donde la amortiguación de vibraciones estándar no está diseñada para funcionar.
02 Fuentes: tradicionales y emergentes
Los interarmónicos surgen cuando un dispositivo de conversión de energía procesa energía a una frecuencia que no está sincronizada con la frecuencia de la red.. La frecuencia de salida del proceso de conversión modula la frecuencia de la red., producir bandas laterales (componentes interarmónicos) en frecuencias determinadas por la diferencia entre la frecuencia de conversión y la frecuencia de la red y sus armónicos.
| Tipo de fuente | Mecanismo de generación | Frecuencias interarmónicas típicas | Tendencia |
|---|---|---|---|
| Cicloconvertidores | La conversión directa de frecuencia CA/CA produce una salida a una frecuencia de salida arbitraria fafuera — interarmónicos en |nfmanos ± mfafuera| | Espectro continuo: depende de la velocidad de salida | Legado: laminadores, unidades grandes |
| Hornos de arco y de inducción. | La corriente de arco caótica crea una forma de onda aleatoria no periódica: todas las frecuencias están presentes simultáneamente | Banda ancha: espectro continuo debajo 2 kHz | Estable: todavía se usa ampliamente |
| VFD a velocidad variable | En relaciones de velocidad no enteras, La frecuencia de salida del VFD y los armónicos contrastan con la frecuencia de la red eléctrica; los interarmónicos aparecen en las frecuencias de batido | Varía con la velocidad del motor: barre continuamente durante la aceleración | En crecimiento: dominante en la industria |
| inversores fotovoltaicos (MPPT) | El algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia perturba periódicamente el punto de funcionamiento: la ondulación en el bus de CC crea una inyección interarmónica en la frecuencia de perturbación y sus armónicos | Normalmente bandas laterales de 5 a 100 Hz alrededor de armónicos | Crecimiento rápido: nueva fuente dominante |
| Turbinas eólicas | La velocidad variable del rotor crea una frecuencia de deslizamiento (Frotor ≠fmanos) — interarmónicos en nfmanos ±fdeslizar | Varía con la velocidad del viento; normalmente, rango de 45 a 55 Hz (casi fundamental) creando ritmos | En rápido crecimiento: en alta mar, en tierra |
| EV cargadores | La asimetría de la frecuencia de conmutación y la ondulación del bus de CC crean productos de intermodulación, que se agravan cuando la tensión de la red se distorsiona. | 2–Bandas laterales de 10 Hz alrededor de fundamentales y armónicos | En rápido crecimiento: residencial, comercial |
| Convertidores HVDC | Las interacciones del bucle de control entre los lados de CA y CC producen oscilaciones subsíncronas: interarmónicos en las frecuencias del bucle de control. | Subsincrónico (5–45Hz) — potencialmente peligroso para la estabilidad de la red | Creciente: gran preocupación para los TSO |
Fuentes interarmónicas tradicionales: cicloconvertidores, hornos de arco - eran grandes, identificable, y normalmente ubicados en instalaciones industriales donde su impacto en la PQ podría evaluarse y gestionarse en el punto de conexión.. Las nuevas fuentes interarmónicas basadas en DER: inversores fotovoltaicos, turbinas eólicas, Cargadores de vehículos eléctricos: son pequeños, numeroso, distribuido geográficamente, e instalado sin evaluación de impacto PQ individual. Cada dispositivo produce emisiones interarmónicas que están por debajo del límite de cualquier equipo individual.. Pero miles de dispositivos funcionando simultáneamente en el mismo alimentador de BT, cada uno con emisión interarmónica estocástica a frecuencias ligeramente diferentes, crear un entorno interarmónico compuesto que no se anticipó en el diseño de la infraestructura de BT existente y que no se caracteriza por los equipos de monitoreo actuales.
03 Efectos: parpadeo, Mal funcionamiento del equipo, y oscilaciones de la red
Parpadeo: el efecto más sensible
El efecto más importante y mejor documentado de los interarmónicos es el parpadeo de voltaje.. Un componente interarmónico en la frecuencia fHI Modula la tensión fundamental., produciendo variaciones de amplitud en la frecuencia del batido |FHI –ffundamental|. en un 50 sistema Hz, un interarmónico en 55 Hz produce parpadeo en 5 Hz: directamente en el rango de 1 a 15 Hz de sensibilidad visual humana máxima, según lo caracterizado por el medidor de parpadeo IEC. Un interarmónico en 62 Hz produce 12 parpadeo de Hz. La intensidad del parpadeo es proporcional a la amplitud interarmónica.: incluso un interarmónico de sólo 5% La amplitud puede producir un parpadeo visible que fallaría en el IEC. 61000-4-15 evaluación del parpadeo.
Fluctuaciones de voltaje del bus de CC en cargas rectificadoras
Los componentes interarmónicos en la tensión de alimentación provocan variaciones ciclo a ciclo en la tensión máxima vista por los rectificadores de diodos: los condensadores del bus de CC de los variadores de frecuencia., Sistemas UPS, y fuentes de alimentación conmutadas. Estas fluctuaciones de voltaje del bus de CC provocan una carga y descarga desigual de los condensadores., produciendo ondulaciones en el bus de CC que el sistema de control del variador debe gestionar. En altas amplitudes interarmónicas, La fluctuación del bus de CC puede desencadenar protección contra sobretensión o subtensión en el variador, lo que provoca disparos inesperados que aparecen como fallas del equipo en lugar de problemas de calidad del suministro..
Oscilaciones de red y resonancia subsincrónica.
Interarmónicos subsíncronos: componentes a continuación 50 Hz: puede excitar resonancias torsionales en grandes ejes de turbogeneradores a frecuencias que coinciden con la frecuencia de resonancia mecánica natural del sistema eje-generador.. Esta resonancia subsincrónica (RSS) Este mecanismo ha provocado fallos catastróficos en los ejes de centrales térmicas conectadas mediante líneas de transmisión con compensación en serie.. En los sistemas de energía modernos, Las interacciones del bucle de control del convertidor HVDC pueden producir oscilaciones subsíncronas similares que se propagan a través de la red de CA interconectada, una preocupación creciente a medida que se expande la capacidad de HVDC..
04 Caso de campo - PV, HOME, y microondas en el mismo circuito BT
La 2025 El artículo en MDPI Sustainability proporciona una medición de campo concreta de la generación interarmónica en una instalación doméstica moderna de bajo voltaje, específicamente, un circuito con un panel fotovoltaico, un cargador de vehículos eléctricos, y un horno microondas funcionando simultáneamente. Esta combinación representa el entorno energético residencial estándar emergente en los países desarrollados con una alta adopción de DER..
El hallazgo clave del estudio es que el funcionamiento simultáneo de estos tres dispositivos produce resultados estocásticos., emisiones interarmónicas probabilísticas, no las deterministas, Patrones armónicos predecibles de cargas no lineales clásicas.. Las frecuencias y amplitudes interarmónicas varían aleatoriamente de un ciclo a otro., impulsado por:
- Algoritmo MPPT del inversor fotovoltaico — el algoritmo de perturbar y observar varía el punto de funcionamiento a una velocidad que no está sincronizada con la red eléctrica, inyectar interarmónicos en la frecuencia de perturbación y sus bandas laterales con los armónicos de la red
- Cambio del cargador de vehículos eléctricos — la frecuencia de conmutación del cargador varía ligeramente según el estado de carga de la batería, producir emisiones interarmónicas que abarcan un rango de frecuencia en lugar de permanecer en un valor fijo
- magnetrón de microondas — la frecuencia de oscilación del magnetrón no está exactamente sincronizada con la red eléctrica, producir contenido interarmónico de banda ancha en el rango de 50 a 3000 Hz
El estudio demuestra que cuando múltiples fuentes interarmónicas operan simultáneamente, el contenido interarmónico total puede ser significativamente mayor que la suma de las contribuciones individuales: un efecto de agregación superaditivo. Esto ocurre cuando dos fuentes producen interarmónicos en frecuencias cercanas pero no idénticas., crear un patrón de ritmo que amplifica la amplitud compuesta en la frecuencia de ritmo. Para un inversor fotovoltaico que produce un interarmónico en 53 Hz y un cargador de vehículos eléctricos que produce uno a 54 Hz simultáneamente, La señal compuesta tiene una 1 Beat Hz: una modulación de amplitud muy lenta que, con suficiente amplitud, produce un parpadeo perceptible en 1 Hz. Ningún dispositivo individual produciría este parpadeo por sí solo.
La contribución metodológica del artículo es un modelo probabilístico de generación interarmónica, que caracteriza no solo la amplitud interarmónica media sino también su distribución estadística utilizando funciones de densidad de probabilidad ajustadas a mediciones en tiempo real.. Este enfoque probabilístico es más preciso que los modelos deterministas del peor de los casos y más útil que los simples resúmenes estadísticos.: Permite predecir con qué frecuencia se excederá una amplitud interarmónica determinada., cuál es la información necesaria para evaluar el cumplimiento de los niveles de planificación expresados como valores del percentil 95. por un 50 sistema Hz, la CEI 61000-3-6 El nivel de planificación para interarmónicos en BT es 0.2% — el modelo probabilístico permite a los ingenieros determinar si el percentil 95 de la distribución interarmónica en una instalación determinada excede este nivel.
05 El desafío de la medición
Los interarmónicos presentan un problema de medición fundamental que no surge para los armónicos clásicos.: Los métodos de medición estándar están diseñados para componentes de frecuencia enteros múltiples y sistemáticamente no logran caracterizar correctamente los componentes no enteros..
La CEI 61000-4-7 limitación
IEC 61000-4-7 — el método de medición estándar para analizadores de armónicos — especifica un 200 ventana de medición ms (10 ciclos en 50 Hz) y aplica un DFT para producir subgrupos armónicos en 50 Intervalos Hz. Un componente espectral exactamente 75 Hz (a medio camino entre el 1er y 2do armónico en 50 Hz y 100 Hz) produce una salida DFT que se distribuye en varios contenedores en lugar de concentrarse en un solo contenedor; aparece como un ruido elevado entre los órdenes armónicos en lugar de un ruido discreto. 75 Componente Hz. Luego, el estándar asigna esta energía interbin al subgrupo armónico más cercano., potencialmente inflando la amplitud armónica y oscureciendo el interarmónico por completo.
El problema de la resolución de frecuencia.
La 200 La ventana de medición ms proporciona una resolución de frecuencia de 1/0.2 = 5 Hz. Esto significa que los componentes interarmónicos están más cerca que 5 Los Hz separados no se pueden resolver: aparecen como una única característica espectral ampliada. Para interarmónicos en 52 Hz y 54 Hz, ambos plausibles desde diferentes dispositivos DER, son irresolubles en un 200 ventana ms. Resolverlos requiere ventanas de medición más largas: 1 segundo para 1 Resolución Hz, 10 segundos para 0.1 Resolución Hz. Pero las ventanas más largas aumentan la probabilidad de que la frecuencia interarmónica haya cambiado durante la medición, un problema común con los interarmónicos generados por VFD cuya frecuencia varía continuamente con la velocidad del motor..
| Método de medición | Resolución de frecuencia | Detección interarmónica | Estándar |
|---|---|---|---|
| IEC 61000-4-7 DFT (200 ms) | 5 Hz | Deficiente: propaga interarmónicos entre contenedores, se identifica erróneamente como contenido armónico | IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008 |
| DFT de ventana extendida (1 s) | 1 Hz | Bueno para interarmónicos estacionarios; falla para variables en el tiempo. | Práctica de investigación |
| FFT interpolada / WIFFET | Resolución subHz | Bueno: reduce la fuga espectral, mejor estimación de la amplitud interarmónica | Grupo de trabajo IEEE P519.1 |
| Métodos de frecuencia de tiempo (ondícula, STFT) | Variable | Lo mejor para variación en el tiempo: captura la evolución de la frecuencia a lo largo del tiempo | Investigación: aún no estandarizada |
| modelo probabilístico (Ajuste de PDF) | Estadístico | Lo mejor para fuentes estocásticas (PV, HOME) — caracteriza la distribución no sólo la media | Sostenibilidad MDPI 2025 |
06 Perspectiva de la calidad de la energía
Los interarmónicos son la perturbación de la calidad de la energía que se encuentra entre todos los marcos estándar.. Tienen una frecuencia demasiado alta para el análisis de resonancia mecánica clásico utilizado en estudios de estabilidad del sistema de energía.. Tienen una frecuencia demasiado baja para el análisis EMC., que comienza en 150 kHz. No están contemplados en los límites de emisión de armónicos de IEC 61000-3-2 (que se aplica a armónicos enteros hasta el orden 40). Y no están correctamente caracterizados por el método de medición estándar en IEC 61000-4-7.
El resultado es una clase de perturbación cuya importancia va en aumento a medida que aumenta la penetración de los DER, impulsada por los inversores fotovoltaicos., turbinas eólicas, EV cargadores, y enlaces HVDC, pero es sistemáticamente invisible para la infraestructura de medición que la mayoría de los servicios públicos y los ingenieros industriales han implementado.. Cuando un analizador PQ que ejecuta IEC 61000-4-7 muestra un cumplimiento armónico limpio en un sitio que genera parpadeo visible, Los interarmónicos son la explicación más probable de que el análisis estándar omita.
Desde la perspectiva de la ingeniería PQ de servicios públicos, El protocolo práctico para identificar interarmónicos cuando el análisis armónico estándar no logra explicar un problema observado: parpadeo sin una fuente obvia., disparos inexplicables del VFD, ruido elevado entre órdenes armónicos - es: primero, extender la ventana de medición más allá 200 ms para mejorar la resolución de frecuencia; segundo, observar el espectro completo entre órdenes armónicos en lugar de solo los subgrupos armónicos; tercero, correlacionar la frecuencia interarmónica con las frecuencias mecánicas o de conmutación conocidas del equipo conectado. Un VFD que hace funcionar un motor a 1,450 rpm en una máquina de 4 polos produce una frecuencia de deslizamiento de |50 - 1450/60| = |50 - 24.17| = 25.83 Hz — e interarmónicos en 50 ± 25.83 = 24.17 Hz y 75.83 Hz. Encontrar un componente espectral en 75.83 Hz en el voltaje de suministro confirma que el VFD es la fuente con alta confianza. Este enfoque sistemático transforma una inexplicable “ruido de medición” observación en un diagnosticado, problema de PQ atribuible.
Referencias
- Moyo RT y otros. “Agregación en el dominio del tiempo de interarmónicos procedentes del funcionamiento paralelo de múltiples fuentes sostenibles y vehículos eléctricos.” Sostenibilidad, 17(3), 1214, Febrero 2025. DOI: 10.3390/su17031214. Acceso abierto CC BY 4.0.
- IEC 61000-2-1:1990. Compatibilidad electromagnética. Descripción del entorno. Entorno electromagnético para perturbaciones conducidas de baja frecuencia y señalización en sistemas públicos de suministro de energía.. IEC, Ginebra. (Definición de interarmónicos.)
- IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008. Técnicas de prueba y medición. Guía general sobre mediciones e instrumentación de armónicos e interarmónicos para sistemas de suministro de energía y equipos conectados a los mismos.. IEC, Ginebra.
- IEC 61000-3-6:2008. Límites — Evaluación de los límites de emisión para la conexión de instalaciones distorsionantes a MT, HV y EHV sistemas de energía. IEC, Ginebra.
- Grupo de trabajo del IEEE sobre modelado y simulación de armónicos. “Interarmónicos: Teoría y Modelización.” IEEE Transactions on Power Delivery, vuelo. 22, no. 4, pp. 2335–2348, 2007.
- Yong J., Chen L, Chen Y. “Modelado de armónicos e interarmónicos de fondo.” IEEE Transactions on Power Delivery, vuelo. 26, no. 2, pp. 900–909, 2011.
fuente primaria: Moyo RT y otros. “Agregación en el dominio del tiempo de interarmónicos procedentes del funcionamiento paralelo de múltiples fuentes sostenibles y vehículos eléctricos.” Sostenibilidad, MDPI, 17(3), 1214, Febrero 2025. DOI: 10.3390/su17031214. Acceso abierto CC BY 4.0. Referencias de apoyo: IEC 61000-2-1 (definición), IEC 61000-4-7 (medición), Grupo de trabajo del IEEE sobre armónicos (2007).
Diagramas SVG y perspectiva PQ (Sección 6) son contenido editorial original de IPQDF de Denis Ruest, Maestría en Ciencias. (Aplicado), P.Eng. (retirado.). IPQDF no reivindica la autoría de la investigación original.