¿Cómo suprimen los armónicos los transformadores y los filtros de armónicos?
Técnicas de mitigación de armónicos para cargas trifásicas
Las cargas trifásicas no producen armónicos triples. Por lo tanto, en entornos dominados por cargas trifásicas, los problemas de armónicos surgen principalmente de las corrientes en los armónicos 5, 7, 17, 19 y superiores. Un transformador de mitigación de armónicos (HMT) puede ayudar a reducir estos armónicos utilizando devanados secundarios dobles o múltiples transformadores con un cambio de fase de 30° entre ellos. Este cambio de fase asegura que los componentes armónicos de un secundario estén desfasados con los de otro, ayudando a su cancelación.
Escenarios de carga mixtos monofásicos y trifásicos
Cuando un transformador alimenta cargas monofásicas y trifásicas, es necesario un enfoque combinado. Normalmente, se utilizan pares de transformadores delta-zigzag con un cambio de fase de 30° en un banco de transformadores separado. Este cambio de fase ayuda a reducir los armónicos 5.º, 7.º, 17.º y 19.º, mientras que los devanados secundarios en zigzag reducen significativamente los armónicos triplen.
Las caídas de voltaje durante el arranque se pueden monitorear con un medidor de calidad de energía.
Para un rendimiento óptimo, las cargas no lineales monofásicas, de línea a neutro, deben equilibrarse en dos paneles alimentados por dos HMT separados. Un HMT debe ser un delta-zigzag con un cambio de fase de 0°, y el segundo HMT debe ser un delta-estrella o un zigzag en estrella con un cambio de fase de 30°. El uso de estos dos transformadores ayudará a eliminar los armónicos 5, 7, 17 y 19, y la atenuación armónica es más efectiva cuando las cargas están equilibradas.
Por ejemplo, si un panel de alimentación principal alimenta cargas no lineales monofásicas que requieren 200 A, es mejor utilizar dos paneles separados de 100 A cada uno. Para alimentar estos paneles se pueden utilizar dos transformadores, uno en configuración delta-zigzag y otro en configuración delta-estrella o estrella-zigzag, con un desfase de 30° entre ellos. Las corrientes armónicas de las cargas de la computadora se cancelarán entre sí, lo que dará como resultado un sistema que consume corriente con una distorsión armónica total (THD) muy baja.
Se emplean bancos de transformadores con un cambio de fase entre ellos para cancelar los armónicos.
Consideraciones de impedancia HMT
Los dos HMT deben tener los mismos valores de impedancia, estar ubicados cerca del bus fuente y tener perfiles armónicos de carga similares. Con un secundario en zigzag, la impedancia es menor que la impedancia nominal nominal del transformador. En un transformador delta-estrella o delta-delta, la impedancia monofásica coincide con la impedancia de secuencia positiva y negativa como se indica en la placa de identificación.
Para transformadores delta-zigzag o estrella-zigzag, la impedancia de fase a neutro es aproximadamente del 75% al 85% de la impedancia de secuencia positiva y negativa. Esto puede resultar en una corriente de falla más alta durante una falla monofásica al neutro o a tierra, lo que posiblemente requiera un dispositivo de protección contra sobrecorriente con una clasificación más alta. La impedancia de la placa de identificación representa la impedancia de secuencia positiva/negativa, por lo que se debe suponer que cualquier corriente de falla es aproximadamente el 133% de la corriente de falla calculada, lo cual es crítico para la coordinación de la protección contra arco eléctrico.
La impedancia monofásica de un transformador en zigzag es aproximadamente del 75% al 85% de su impedancia nominal.
Filtros armónicos
Los filtros armónicos reducen los componentes armónicos y la THD. Los filtros de armónicos monofásicos minimizan los terceros armónicos y otros armónicos triples de cargas monofásicas no lineales. Los filtros de armónicos trifásicos, también conocidos como filtros trampa, reducen los armónicos de cargas no lineales monofásicas en un sistema trifásico o cargas trifásicas como los variadores de velocidad de motores de CA. Por lo general, estos filtros están sintonizados justo debajo del quinto armónico, lo que proporciona una ruta de baja impedancia que atrapa el quinto y la mayor parte del séptimo armónico. Los filtros de armónicos se deben instalar lo más cerca posible de la carga no lineal y, en el caso de variadores trifásicos, generalmente se instalan en el equipo de servicio.
Tipos de filtros armónicos
Filtros armónicos pasivos
Los filtros armónicos pasivos utilizan condensadores e inductores sintonizados para eliminar frecuencias armónicas específicas, funcionando como filtros de paso de banda o de paso bajo. Estos filtros permiten el paso de las frecuencias bajas (60 Hz) y eliminan las frecuencias más altas (180 Hz y superiores). Sin embargo, pueden provocar problemas como timbres, resonancias no deseadas y sobrecompensación. Las fuentes de armónicos monofásicas como las SMPS no generan cambios de fase significativos entre la corriente y el voltaje, por lo que los filtros pasivos pueden hacer que los circuitos cambien inadvertidamente de retrasado a adelantado. Además, los filtros pasivos suelen ser grandes y relativamente caros.
Un filtro de armónicos pasivo utiliza un conjunto de resistencias, condensadores e inductores sintonizados para eliminar frecuencias armónicas.
Filtros armónicos activos
Los filtros de armónicos activos utilizan componentes electrónicos para proporcionar una impedancia variable para eliminar los armónicos o generar una forma de onda de corriente adaptativa que está desfasada 180° con los armónicos. Aunque tradicionalmente son costosos y menos disponibles, los avances en la electrónica están haciendo que los filtros de armónicos activos sean más accesibles y rentables.
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