Filtro pasivo de armónicos: ¿qué son y por qué son importantes?

En los sistemas eléctricos modernos, la calidad de la energía es un factor crucial para garantizar el funcionamiento adecuado de los equipos. Aunque el suministro de la CFE es muy estable, la distorsión armónica se ha convertido en un desafío debido a la creciente cantidad de dispositivos electrónicos y convertidores de frecuencia.

Los armónicos, generados por cargas no lineales, pueden causar daños en equipos, pérdidas de energía, sobrecalentamientos y otros problemas en las instalaciones eléctricas. Una solución eficaz para mitigar estos inconvenientes es el uso del denominado filtro pasivo de armónicos.

¿Qué son los filtros pasivos de armónicos?

Los armónicos eléctricos son variaciones. generadas por cargas no lineales con electrónica de potencia y, como toda variación, conllevan distintos tipos de consecuencias.

También pueden entenderse como componentes de frecuencia múltiple de la frecuencia fundamental (50 Hz o 60 Hz) que aparecen por la operación de cargas no lineales, como variadores de velocidad, rectificadores, fuentes de alimentación conmutadas y otros dispositivos electrónicos.

Los filtros pasivos de armónicos son dispositivos eléctricos diseñados para reducir o eliminar las distorsiones causadas por las corrientes armónicas en los sistemas de distribución de energía. Dichos equipos están conformados por elementos reactivos como inductores (bobina) y condensadores. Estos se encuentran conectados de manera que resuenan en frecuencias específicas, lo que permite la eliminación o atenuación de los armónicos no deseados.

Están diseñados para que se instalen en serie-paralelo con la carga. De esta forma, actúan como un camino de baja impedancia para los armónicos, desviándolos y evitando así que se distribuyan por el resto del sistema eléctrico.

¿Para qué sirven los filtros pasivos de armónicos?

Los filtros pasivos de armónicos tienen varias funciones esenciales en los sistemas eléctricos:

• Reducción de armónicos: su principal función es reducir las corrientes armónicas generadas por cargas no lineales. Al hacerlo, mejoran la calidad de la energía al disminuir la distorsión armónica total (THD) en el sistema eléctrico.
• Protección de equipos: los armónicos pueden generar sobrecalentamientos en transformadores, motores y otros dispositivos eléctricos. Los filtros pasivos protegen los equipos sensibles, ya que reducen los niveles de corriente armónica.
• Eficiencia energética: al disminuir las pérdidas causadas por los armónicos en el sistema, los filtros pasivos mejoran la eficiencia energética general. Esto se traduce en un menor consumo de energía y menores costos operativos.
• Cumplimiento normativo: muchos países y organismos reguladores imponen límites a los niveles de distorsión armónica que pueden tolerarse en un sistema eléctrico. Los filtros pasivos permiten que las instalaciones cumplan con estos estándares, como los establecidos en la norma IEEE 519. En México, el Código de Red y la NOM-ENER-2016 son el conjunto de normatividades que se refieren a la calidad eléctrica. El primero establece la distorsión armónica total que debe cumplirse, mientras que la segunda norma se refiere a la eficiencia energética de los equipos. 
• Estabilidad del sistema: la presencia de armónicos puede afectar la estabilidad del sistema eléctrico y generar fluctuaciones de voltaje y corriente. Los filtros pasivos mejoran la estabilidad general al reducir la distorsión armónica.

Tipos de filtros pasivos de armónicos

Los tipos de filtros pasivos se clasifican dependiendo de las necesidades que debe cubrir el usuario final y del tipo de problema a resolver. De acuerdo a su funcionalidad los filtros son de Absorción ó Rechazo. Según el principio tecnológico los filtros más comunes son:

• Filtros sintonizados: están diseñados para eliminar armónicos de frecuencias específicas. Son los más simples y efectivos para mitigar armónicos de bajo orden, como el tercer o quinto armónico. A grandes rasgos, se trata de circuitos IC (inductancia-capacitancia) que crean una resonancia en la frecuencia del armónico a mitigar.
• Filtros de banda ancha: en lugar de sintonizarse a una frecuencia específica, estos filtros tienen la función de atenuar una gama más amplia de frecuencias armónicas.  Por lo general, se utilizan en aplicaciones donde se generan múltiples armónicos de diferentes órdenes.

¿Por qué son tan importantes los filtros pasivos de armónicos?

Los filtros pasivos de armónicos son cruciales en los sistemas eléctricos modernos debido a la creciente presencia de cargas no lineales que generan distorsión armónica. La importancia de estos equipos radica principalmente en su capacidad de mantener la energía eléctrica estable y con buena calidad.

Estas son las ventajas más importantes que se derivan de su uso:

• Mejora de la calidad de la energía: la distorsión armónica puede afectar gravemente la calidad de la energía. Algunos de los problemas que se suelen generar son sobrecalentamiento de equipos, mal funcionamiento de los sistemas de control y daños en dispositivos sensibles. Los filtros pasivos ayudan a mantener una onda sinusoidal de voltaje y corriente más limpia, lo que mejora la confiabilidad del sistema.
• Reducción de costos operativos: gracias a la reducción de pérdidas de energía causadas por los armónicos, disminuyen los gastos relacionados con el consumo de energía y el mantenimiento de equipos. Esto es especialmente importante en instalaciones industriales y comerciales, donde las cargas no lineales son comunes.
• Protección de equipos y alargamiento de su vida útil: los armónicos pueden causar tensiones y sobrecalentamientos en los componentes del sistema eléctrico. Al mitigar estos armónicos, los filtros pasivos protegen los equipos y prolongan su vida útil, lo que reduce los costos de reemplazo y reparación.
• Cumplimiento de normas y regulaciones: en muchas instalaciones industriales y comerciales cumplir con los límites de distorsión armónica es un requisito normativo. La implementación de filtros pasivos permite que las instalaciones  acaten los estándares nacionales e internacionales.  Algunos ejemplos son la norma IEEE 519, que limita los niveles de distorsión armónica admisibles, y las publicadas por la Comisión Reguladora de Energía en México.

Diferencias entre filtros pasivos y activos

Además de los filtros pasivos, existen otras tecnologías para el filtrado de armónicos, como los filtros activos. A continuación se presentan algunas de las diferencias clave entre estos dos tipos de filtros:

• Filtros pasivos: dispositivos más simples y económicos que los filtros activos porque utilizan elementos reactivos (inductores y condensadores) para eliminar los armónicos. Ideales para aplicaciones donde se generan armónicos de baja frecuencia y cuando se busca una solución rentable, tienden a ser menos flexibles para adaptarse a condiciones cambiantes o a múltiples frecuencias armónicas. 
• Filtros activos: son más sofisticados y costosos, ya que utilizan electrónica de potencia para generar corrientes compensatorias que cancelan los armónicos. Pueden adaptarse a variaciones en la carga, lo que los hace adecuados para aplicaciones donde se requiere una filtración más precisa y dinámica. Por lo general, se emplean en industrias donde se opera con equipo electrónico muy avanzado, centros de datos o aplicaciones de alta precisión.

¿Cuándo utilizar filtros pasivos de armónicos?

Los filtros pasivos son una opción adecuada en muchas aplicaciones donde se buscan soluciones económicas y eficaces para mitigar los armónicos. Algunos ejemplos de situaciones en las que es recomendable utilizar filtros pasivos incluyen:

• Instalaciones industriales: las fábricas y plantas industriales donde se utilizan variadores de velocidad y rectificadores son candidatas para este tipo de equipos. Los filtros ofrecen una solución eficaz para reducir los niveles de distorsión armónica en los equipos instalados.
• Sistemas de distribución de energía: los filtros pasivos son de mucha utilidad en las redes de distribución donde se conectan múltiples cargas no lineales. Estos ayudan a mantener la calidad de la energía, ya que evitan problemas de sobrecalentamiento en transformadores y cables. 
• Cumplimiento normativo: para todas las empresas es fundamental cumplir con la legislación vigente, especialmente cuando se trata de la calidad de energía. Los filtros pasivos son de gran ayuda para mantener los niveles dentro de los límites permitidos. 

Los filtros pasivos de armónicos son una solución esencial para mitigar los efectos negativos de los armónicos en los sistemas eléctricos. Su capacidad para mejorar la calidad de la energía, proteger los equipos, aumentar la eficiencia energética y garantizar el cumplimiento normativo los convierte en una herramienta indispensable en muchas aplicaciones industriales y comerciales. Aunque existen otras tecnologías de filtrado, los filtros pasivos ofrecen una solución rentable y eficiente en situaciones donde se generan armónicos de baja frecuencia.
En un mundo donde la demanda de energía y la complejidad de los sistemas eléctricos continúan creciendo, la implementación de un filtro pasivo de armónicos es clave para garantizar la estabilidad, confiabilidad y eficiencia de las instalaciones eléctricas. Grupo Industronic cuenta con dos tipos de filtros pasivos de armónicos que se adaptan a las necesidades de cualquier cliente