Fenómenos Eléctricos Esenciales: Resonancia y Armónicos en Circuitos y Redes

Resonancia Eléctrica: Intercambio de Energía en Circuitos Oscilantes

El intercambio constante de energía eléctrica entre un condensador y una bobina en un circuito oscilante ocurre a una determinada frecuencia, conocida como frecuencia de resonancia. Se alcanza la resonancia cuando la reactancia capacitiva se iguala a la reactancia inductiva.

Variación de la Impedancia con la Frecuencia

• En una bobina, la reactancia inductiva tiende a aumentar con la frecuencia.
• En un condensador, la reactancia capacitiva tiende a disminuir con la frecuencia.

En un circuito RLC, al aumentar la frecuencia aplicada, la impedancia disminuirá hasta llegar a la frecuencia de resonancia. En este punto, las reactancias se anulan, haciendo que la impedancia sea totalmente resistiva, por lo que la corriente solo dependerá de esa resistencia.

Resonancia en Serie

Para que un circuito en serie entre en resonancia, la reactancia inductiva de la bobina debe ser igual a la reactancia capacitiva del condensador. En este estado, la corriente se verá limitada únicamente por la resistencia del circuito, siendo iguales las caídas de tensión en ambos componentes reactivos.

Resonancia en Paralelo

Para que un circuito en paralelo entre en resonancia, la reactancia inductiva de la bobina debe ser igual a la reactancia capacitiva del condensador. En el caso de que la resistencia sea prácticamente nula, la corriente también lo será, resultando en una impedancia infinita, como si el circuito estuviera abierto.

Armónicos Eléctricos: Perturbaciones y Efectos en la Red

Los armónicos son perturbaciones en la red eléctrica ocasionadas por cargas no lineales. Estas cargas, como receptores que absorben intensidades de corriente en impulsos bruscos, generan distorsiones en la forma de onda sinusoidal. Algunas cargas no lineales comunes incluyen:

• Fuentes de alimentación conmutadas
• Hornos de arco
• Transformadores (bajo ciertas condiciones de saturación)
• Reguladores de velocidad

Clasificación y Orden de los Armónicos

Los armónicos se clasifican según su orden, el cual se determina dividiendo la frecuencia del armónico entre la frecuencia fundamental de la red. Por lo tanto, el orden indica cuántas veces la frecuencia del armónico es mayor que la fundamental. Generalmente, los armónicos que más afectan la calidad de la onda son los de orden impar.

Efectos Negativos de los Armónicos en Sistemas Eléctricos

Algunos de los efectos más significativos que producen los armónicos son:

• En sistemas trifásicos equilibrados, puede aparecer una corriente por el neutro mayor que en las fases.
• Los interruptores magnetotérmicos y fusibles pueden dispararse o cortar el circuito a valores diferentes de los nominales.
• Los interruptores diferenciales pueden actuar sin que existan corrientes de fuga reales. Una solución a este problema es el uso de diferenciales superinmunizados, que incorporan un filtro.
• Los motores y transformadores pueden sufrir sobrecalentamiento.
• Las baterías de condensadores pueden sobrecalentarse y destruirse.
• Aparece el efecto piel (o skin effect), que consiste en que, al aumentar la reactancia inductiva en el cable debido a los armónicos, la corriente tiende a fluir por la superficie exterior del conductor. Esto disminuye la sección útil del cable, aumentando su resistencia efectiva y, con ello, las pérdidas en forma de calor. Al colocar un conducto entre los aislantes del conductor, se consigue inducir una fuerza electromotriz (FEM) en este, para derivarlo a tierra.
• El valor eficaz (RMS) de la corriente o tensión se ve afectado por la presencia de armónicos.