Armónicos en sistemas de CA

I. Análisis de fuentes armónicas y características

Los armónicos en los sistemas de CA se generan principalmente por su componente principal: Variadores de frecuencia (VFD/VSD) —se utiliza para impulsar compresores, bombas de agua refrigerada, ventiladores de torres de enfriamiento, etc.

1. Principales fuentes armónicas :

   • Unidades centrales de aire acondicionado :Los variadores de frecuencia (VFD) accionados por compresores centrífugos o de tornillo de gran tamaño son los de mayor potencia y fuentes armónicas primarias .

   • Bombas y ventiladores :Las bombas de agua helada, las bombas de condensador, los ventiladores de torres de enfriamiento y los ventiladores en unidades de manejo de aire (UTA) comúnmente utilizan control de frecuencia variable.

   • Dispositivos terminales :Algunas unidades fan coil (FCU) o pequeñas unidades interiores también emplean tecnología inverter.

2. Características armónicas :

   • Armónicos característicos :El circuito rectificador de 6 pulsos en los VFD genera principalmente armónicos de orden impar como 5, 7, 11, 13 , con el quinto armónico típicamente siendo el más destacado.

   • Alta distorsión de corriente :La distorsión armónica total (THDi) actual para un solo VFD normalmente puede variar entre el 30 % y el 50 % (sin reactores incorporados).

   • Fluctuaciones periódicas :Niveles de corriente armónica fluctúan dinámicamente Con cambios en la carga de CA (temperaturas de consigna, temperatura ambiente). La carga es intensa durante el día (armónicos altos) y ligera por la noche y en días festivos (armónicos bajos).

3. Peligros e impactos (especialmente para hospitales y oficinas) :

   • Para equipos médicos (hospitales/clínicas) Los equipos médicos de precisión (p. ej., resonancias magnéticas, tomografías computarizadas, DSA) son extremadamente sensibles a la calidad de la energía. Los armónicos pueden causar errores operativos, distorsión de la imagen, corrupción de datos o incluso daños en el hardware, lo que pone en peligro la precisión del diagnóstico y la seguridad del paciente.

   • Para sistemas eléctricos :

     • Sobrecarga neutra :Los armónicos triple N (3.º, 9.º, 15.º, etc.) se acumulan en el conductor neutro, lo que provoca que la corriente neutra supere potencialmente la corriente de fase, lo que genera sobrecalentamiento y riesgo de incendio.

     • Sobrecalentamiento del transformador :Las corrientes armónicas aumentan las pérdidas en el núcleo y el cobre del transformador (lo que aumenta el factor K), lo que reduce la capacidad, acorta la vida útil y fuerza la reducción de potencia.

     • Disparo molesto del disyuntor :Provoca paradas inesperadas de los sistemas de CA u otras cargas críticas.

   • Para la eficiencia energética :Los armónicos aumentan las pérdidas de línea, lo que disminuye significativamente los beneficios de ahorro de energía obtenidos al utilizar variadores de frecuencia.

   • Para sistemas de comunicación :Los armónicos pueden interferir con los sistemas de automatización de edificios (BAS) y los sistemas de red.

II. Solución de mitigación centralizada: Aplicación de filtros de potencia activos (FPA)

Para cargas armónicas dinámicas y variables como los sistemas de CA, el Filtro de potencia activo (APF) Es, sin duda, la solución óptima. Su principio de «detección en tiempo real, compensación dinámica» se adapta perfectamente a la naturaleza fluctuante de los armónicos de CA.

Opción 1: Mitigación centralizada en el lado de baja tensión del transformador (la más común, con mejor relación costo-beneficio)

• Ubicación :Instalar para compensación centralizada en el Cuadro principal de distribución de baja tensión en la sala eléctrica principal del edificio (normalmente en la salida secundaria del transformador).

• Ventajas :

  1. Mitigación global :Resuelve los armónicos generados por todas las cargas de CA y otras cargas suministradas por ese transformador en un solo paso, protegiendo todo el sistema de distribución.

  2. Rentable Instalar un APF de gran capacidad es más económico y más fácil de administrar y mantener que tener varios dispositivos más pequeños dispersos por todo el edificio.

  3. Libera capacidad del transformador :Reduce eficazmente el factor K del transformador, lo que le permite volver a funcionar a su capacidad nominal y retrasar costosas inversiones en actualizaciones.

• Selección de capacidad :

  • Requiere una estimación estadística de la corriente nominal y THDi para todos los equipos de CA impulsados por VFD.

  • Fórmula simplificada : Corriente nominal del APF (Ir) ≥ Corriente nominal del transformador × (20 % ~ 35 %) Para escenarios con cargas de CA excepcionalmente altas, se recomienda un porcentaje mayor o un cálculo preciso basado en mediciones profesionales de calidad de la energía.

Opción 2: Mitigación jerárquica/zonal (para edificios grandes y complejos)

• Ubicación :Instalar APF en el Tablero de distribución de la sala de máquinas del host de CA , Cuadro de distribución principal de aire acondicionado de piso , o Centros de distribución zonal .

• Escenarios aplicables :

  • Complejos de edificios muy grandes con múltiples salas eléctricas.

  • Posteriormente se agregaron nuevos sistemas de aire acondicionado, lo que dificultó la modificación en la sala eléctrica principal.

  • Necesidad de protección específica para áreas específicas (por ejemplo, quirófanos, pisos de centros de datos).

• Ventajas :

  1. Mitigación más específica con resultados más precisos.

  2. Evita que circulen armónicos dentro del sistema de distribución, reduciendo las pérdidas en las líneas troncales.

• Desventaja :El costo total puede ser mayor que la mitigación centralizada.

Opción 3: Solución híbrida (APF + filtros pasivos de potencia PPF)

• Principio :Utilice filtros de potencia pasivos (PPF) de menor costo para compensar la mayor parte de los armónicos característicos más prominentes (como 5º, 7º ); luego utilice un APF de menor capacidad para compensar los armónicos de orden impar restantes y suprimir la resonancia del sistema.

• Ventaja :Puede optimizar los costos de inversión en escenarios específicos.

• Desventajas :Diseño complejo, requiere evitar cuidadosamente la resonancia del sistema con PPF, y los PPF no pueden compensar los armónicos cambiantes. Generalmente no se recomienda para entornos hospitalarios altamente críticos.

III. Puntos clave para la selección y el diseño de productos

1. Cálculo de capacidad :Debe basarse en un lista de carga detallada o una Informe de medición de calidad de energía profesional Las mediciones deben abarcar al menos una semana para capturar ciclos de carga completa durante los días laborables y no laborables.

2. Requisitos de desempeño :

   • Velocidad de respuesta :Cuanto más rápido, mejor (<5 ms), para rastrear rápidamente los transitorios armónicos causados por los arranques y paradas del compresor.

   • Efecto de compensación :Lo ideal sería que la THDi posterior a la mitigación se controle dentro de 5% - 8% para cumplir con estándares como GB/T 14549-93 ("Calidad de energía - Armónicos en la red de suministro público") y proporcionar energía limpia para equipos médicos.

   • Multifuncionalidad : Elija APF que combinen filtrado armónico + compensación de potencia reactiva + equilibrado de corriente trifásica para obtener beneficios integrales.

3. Instalación y conexión :

   • Recomendado para conectar en paralelo con la red, aguas arriba de la carga o transformador que requiere mitigación.

   • Debe ser diseñado e instalado por ingenieros eléctricos profesionales para garantizar la seguridad.

IV. Consideraciones y recomendaciones específicas de la industria

• Para hospitales/clínicas (máxima prioridad) :

  • La confiabilidad es lo primero Se deben elegir marcas de APF de alta gama con tecnología consolidada y una sólida reputación. El suministro continuo de energía es fundamental para las instituciones médicas.

  • Protección dirigida :Además de la mitigación de la sala eléctrica principal, se recomienda enfáticamente agregar dispositivos de compensación o acondicionamiento de energía locales aguas abajo de la Cuadros de distribución dedicados o sistemas de energía aislados para radiología (MRI, CT), UCI y quirófanos para crear "zonas de energía limpia" para equipos médicos básicos.

  • Cumplimiento :La solución de mitigación debe cumplir con las regulaciones de diseño eléctrico pertinentes para las instalaciones de atención médica.

• Para edificios de oficinas/propiedades comerciales :

  • Retorno de la inversión (ROI) :Más allá de resolver los riesgos de seguridad, enfatice el importante valor económico de ahorro de energía (reducción de pérdidas en transformadores y líneas), mayor vida útil del equipo , y actualizaciones de transformadores evitadas traído por la mitigación armónica.

  • Certificación de Edificios Ecológicos :La buena calidad de la energía contribuye a obtener puntos para certificaciones como LEED y BREEAM.

Conclusión y acciones recomendadas

Para hospitales, clínicas y edificios de oficinas con muchos sistemas de aire acondicionado, instalación centralizada de Filtros de potencia activos (APF) en el lado de baja tensión del transformador Es la solución de mitigación de armónicos preferida y más rentable.

Pasos recomendados:

1. Monitoreo y evaluación :Contrate un equipo de servicio de calidad de energía profesional para realizar un monitoreo integral de la calidad de energía durante al menos 7*24 horas y producir un informe de diagnóstico detallado.

2. Diseño de soluciones :Con base en los datos del informe, calcule con precisión la capacidad de APF requerida y diseñe el punto y esquema de mitigación óptimos (centralizado, jerárquico o híbrido).

3. Selección de productos :Elija marcas APF como Yingtong Electric (sales@YT-electric.com) con un rendimiento estable y un soporte posventa confiable, asegurando que su adaptabilidad ambiental (por ejemplo, temperatura, humedad) se adapte a las condiciones de la sala eléctrica.

4. Implementación profesional :Que la instalación, puesta en servicio y verificación sean realizadas por un integrador experimentado para garantizar que los resultados de mitigación cumplan con las expectativas.

5. Monitoreo a largo plazo :Utilice las funciones de monitoreo integradas del APF o intégrelo en el Sistema de administración de edificios (BMS) para realizar un seguimiento continuo de la calidad de la energía y garantizar la estabilidad a largo plazo.