Introducción
Este blog compara técnicas de mitigación de armónicos en varias aplicaciones en tiempo real. Examina diferentes aspectos de los filtros en serie y en derivación activos y pasivos, centrándose en la reducción de la carga armónica en los sistemas de accionamiento. Analiza los pros y los contras de los enfoques paralelos y en serie, así como las soluciones activas y pasivas, complementados con resultados prácticos de varios estudios de casos.
Para comprender las discusiones en este blog, es fundamental comprender los siguientes conceptos: armónicos, muescas, distorsión de voltaje, distorsión de corriente y desequilibrio de voltaje.
Los armónicos en los sistemas de energía son causados principalmente por cargas basadas en semiconductores, con ejemplos comunes que incluyen variadores de frecuencia basados en transistores y sistemas de variador de CC con conmutación de línea. Los armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental; por ejemplo, el quinto armónico en un sistema de 50 Hz corresponde a un componente de frecuencia de 250 Hz.
En un modelo simplificado de un rectificador trifásico, si la salida del rectificador es una corriente CC constante, los órdenes armónicos en la línea CA se pueden representar como:
La amplitud de los armónicos depende de varios factores, incluida la intensidad de la red y la impedancia de la línea en serie. Una red más fuerte normalmente da como resultado armónicos de corriente más altos pero armónicos de voltaje más bajos.
Los armónicos pueden causar varios problemas, como:
Reducir los niveles de armónicos es esencial para prevenir estos problemas, aunque los armónicos no siempre provocan tales problemas.
Las soluciones de compensación armónica se pueden clasificar en cuatro clases según dos factores: si la solución es activa o pasiva y si se utiliza en derivación o en serie con las cargas lineales. Las siguientes soluciones se utilizan comúnmente:
Reactor de línea : Un estrangulador en serie trifásico colocado frente al rectificador, que reduce la distorsión de la corriente y agrega protección al rectificador. Sin embargo, no es práctico para variadores grandes y no cumple por sí solo con los niveles de regulación de armónicos.
Filtro de armónicos en serie : una versión más avanzada del reactor de línea, con componentes agregados para atrapar armónicos. Proporciona un mejor rechazo de armónicos, pero no es flexible y puede provocar problemas de corrección del factor de potencia.
Transformador de pulsos múltiples : utiliza devanados desfasados para cancelar órdenes armónicas específicas. Eficaz para reducir las distorsiones armónicas pero sensible al desequilibrio de tensión y asimetría del transformador.
Los filtros de derivación pasivos, como los filtros pasivos de ajuste fino, proporcionan compensación al tener un tamaño que se adapta a la perturbación en lugar de a la carga completa. Estos filtros son efectivos pero sensibles a las condiciones de la red y pueden interactuar de manera impredecible con otras cargas.
Unidades de extremo frontal activo (AFE) : reemplazan los rectificadores de diodos con rectificadores controlados, lo que permite que la energía se devuelva a la red durante el frenado. Los AFE ofrecen baja distorsión de corriente y excelente factor de potencia, pero son complejos, caros y grandes.
Filtros activos : conectados en paralelo con la carga, estos filtros miden y contrarrestan las corrientes armónicas que fluyen inyectando armónicos en contrafase. Son compactos, ajustables y pueden proporcionar compensación VAR. Los filtros activos son eficientes y fáciles de actualizar, pero introducen algunas ondas de conmutación.
Para un variador de frecuencia de 1000 A, la mitigación de armónicos requerida puede variar según la impedancia del sistema y la reactancia en serie equivalente. En redes débiles, la distorsión de la corriente puede ser menor, pero en redes fuertes puede ser mayor. Por ejemplo, las necesidades de reducción de armónicos pueden oscilar entre 150 y 330 A RMS, según la aplicación.
Se comparan diferentes soluciones de mitigación de armónicos en función del rendimiento, la eficiencia y los resultados de la aplicación práctica. La siguiente tabla resume el rendimiento y la eficiencia de varias soluciones:
Los armónicos son una preocupación importante en las aplicaciones industriales, especialmente con el uso cada vez mayor de variadores de frecuencia. Varias técnicas de mitigación, incluidas soluciones pasivas y activas tanto en configuraciones en serie como en derivación, ofrecen diferentes ventajas e inconvenientes. Al comprender e implementar estrategias apropiadas de mitigación de armónicos, las industrias pueden mejorar la eficiencia, reducir el tiempo de inactividad y mejorar la confiabilidad general del sistema.
En conclusión, si bien los armónicos presentan un problema desafiante, un enfoque integral de mitigación puede gestionar eficazmente su impacto en las operaciones industriales. Las soluciones elegidas correctamente y adaptadas a aplicaciones específicas pueden garantizar un sistema de energía estable y eficiente, minimizando los efectos adversos de los armónicos.
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