Corrientes Armónicas
La multiplicación de dispositivos eléctricos de potencia ha creado la necesidad de realizar frecuentemente el análisis de armónicos. Entre las posibles soluciones para eliminar los armónicos, la solución más utilizada son los filtros pasivos, asociación de condensadores e inductancias sintonizados en las frecuencias a eliminar. Otra solución es la correspondiente a los compensadores activos, dispositivos electrónicos que aportan un gran nivel de funcionalidades. Una nueva solución de filtrado asocia la tecnología activa y pasiva: el filtro híbrido, tecnología que une las ventajas de las soluciones precedentes y ofrece óptimos resultados económicos.
Los equipos de eléctricos de potencia son usados cada vez más, generando una cantidad creciente de armónicos en las redes de distribución.
Las corrientes armónicas que circulan en las redes generan una gran cantidad de perturbaciones con consecuencias perjudiciales: envejecimiento prematuro y destrucción de equipos, sobredimensionamiento de las instalaciones, disparos de las protecciones en forma intempestiva. Todas estas consecuencias tienen un impacto económico importante: costo de equipos, pérdidas adicionales de energía, y pérdida de productividad.
El proceso de tratamiento de los armónicos es cada vez más importante y más frecuente.
El principio de los filtros pasivos se ilustra en la siguiente figura:
Las funcionalidades son satisfactorias en la mayoría de los casos, pero esta tecnología permite solo una reducción parcial de las corrientes armónicas. Además, la acción se limita solo a unos pocos órdenes (típicamente: 5, 7, y 11).
Adicionalmente, la corriente nominal del filtro es muy dependiente de la distorsión existente, dado que el filtro presenta una baja impedancia en su frecuencia de resonancia.
Así, la implementación de filtros pasivos requiere un análisis detallado de las características de la instalación, lo cual es una limitación en el uso de esta tecnología.
El principio de los compensadores activos se ilustra en la siguiente figura:
La corriente resultante Is tiene un contenido de corrientes armónicas muy reducida. Esta reducción puede estar en el orden de 10 a 20 dependiendo del tipo de carga, así como también si la corriente nominal del compensador es suficiente.
La compensación armónica cubre el rango desde el orden 2 al orden 25, o desde el orden 2 al orden 50 según el compensador usado, con posibilidades de compensar parcial o totalmente.
El equipo se adapta automáticamente a cualquier tipo de carga, monofásica o trifásica y puede ser conectado a cualquier red trifásica con o sin neutro.
Una de las ventajas de esta tecnología es que es menos crítica en su interacción con las características de la instalación, y se adaptan mucho mejor a las fluctuaciones de los parámetros.
Filtros Híbridos:
Para extender el rango de aplicación de los compensadores activos, y mejorar las funcionalidades de los filtros pasivos, las nuevas técnicas permiten combinar ambas tecnologías dentro del mismo equipo. El principio del Filtro Híbrido se ilustra en la siguiente figura:
Las aplicaciones típicas de los filtros híbridos son las mismas aplicaciones de los filtros pasivos, es decir, para instalaciones de potencia media y potencia alta (> pocos cientos de kVA), aplicaciones que demandan corrección del factor de potencia, además de la funcionalidad de eliminar el resto armónicos de orden diferente.
Con la reducción de la sección activa y la alimentación natural de la energía reactiva, la tecnología híbrida ofrece una solución óptima y económica para la mayoría de las instalaciones de alta potencia.
Los componentes principales del filtro pasivo son las inductancias y condensadores, conectados en una configuración de circuito resonante, sintonizados en el orden de las frecuencias armónicas a ser eliminadas. Estos dispositivos se conectan en paralelo con el generador de armónicos. Este circuito paralelo absorberá las corrientes armónicas, evitando su circulación en el circuito de alimentación. Un equipo puede incluir varios dispositivos para eliminar los armónicos según el orden correspondiente.
Las aplicaciones típicas para los filtros pasivos son las instalaciones de potencia media o de potencia alta (> pocos cientos de kVA) lo que incluye variadores de velocidad, hornos de inducción, hornos de arco y rectificadores, y también aquellas que requieren corrección del factor de potencia.
El compensador activo es un equipo de electrónica de potencia, con control digital. Los sensores de corriente se usan para la medición de la corriente de carga de la línea. El circuito de control digital calcula el contenido de la corriente armónica Ihar de estas corrientes de carga y genera las señales del orden adecuado en la unidad de potencia. La unidad de potencia genera la corriente Iact en oposición a las corrientes armónicas de la carga.
Las aplicaciones típicas de los compensadores activos están en instalaciones de potencia baja y potencia media (desde pocas decenas de kVA a pocos cientos de kVA), incluyendo equipos de computación, UPS, variadores de velocidad e iluminación fluorescente, entre otras.
El filtro pasivo se sintoniza en la frecuencia armónica predominante, y entrega la energía reactiva requerida. El compensador activo se dedica al resto de los armónicos.
Esta solución permite un alto nivel de funcionalidad, dado al gran número del orden armónico cubierto. El uso del filtro pasivo dedicado a la frecuencia del orden predominante permite cubrir un rango más amplio de potencia. El compensador activo es ajustado sólo para una fracción (típicamente: entre 1/3 y ½) de la corriente armónica total.
El filtro híbrido combina las ventajas de ambas tecnologías básicas: el filtro pasivo es una solución de bajo costo y el compensador activo es una solución de alta funcionalidad.
Resultados logrados
Los siguientes resultados han sido tomados de un edificio de oficinas. Las cargas contaminantes son equipos de computación, UPS, variadores de velocidad (ventilación, aire acondicionado, elevadores), e iluminación fluorescente.
Sin filtrado, la distorsión de la corriente resultante que alimentaba la instalación estaba en el orden del 40%. Esto obligaba al sobredimensionamiento del transformador, para evitar las pérdidas excesivas y la alta distorsión en el voltaje.
Disponiendo del filtro híbrido, el efecto acumulativo de la corrección del factor de potencia y el filtrado de armónicos permitiría una reducción del 15% máximo de kVA de demanda.
La forma de onda de la corriente antes y después de la instalación del filtro híbrido se muestran abajo, así como su espectro de armónicos respectivo:
Conclusiones
El filtro híbrido es una nueva solución que acumula las ventajas de ambas tecnologías, y tienen un rango más amplio de aplicaciones posibles. Esta tecnología permite obtener altas funcionalidades de filtrado sobre un amplio rango de potencia, más accesible que la pura solución activa.
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