¿Cómo eliminar componentes armónicos en sistemas de potencia?

¿Cómo eliminar componentes armónicos en sistemas de potencia?

Los armónicos pueden afectar significativamente los sistemas de energía, provocando fallas en los transformadores, quemaduras de motores, disparos molestos de disyuntores y sobrecalentamiento de conductores neutros y otros componentes en una red de distribución de energía. Este sobrecalentamiento puede ser lo suficientemente grave como para provocar incendios eléctricos.

Las cargas no lineales , que consumen corriente en pulsos, provocan armónicos al distorsionar la forma de onda. Estos armónicos son una fuente importante de problemas de calidad de la energía, lo que resulta en el sobrecalentamiento de los componentes del circuito. Para mitigar los armónicos en los sistemas de distribución de energía, a menudo se utilizan transformadores mitigadores de armónicos.

Cuando hay armónicos presentes, distorsionan las formas de onda de voltaje y corriente en las líneas. Es necesario analizar estas formas de onda distorsionadas para identificar el tipo y la cantidad de armónicos. Los armónicos de orden superior se combinan con la frecuencia fundamental para crear una forma de onda resultante, que puede medirse con un analizador de calidad de energía. Para analizar estas formas de onda se utiliza el análisis de Fourier, en particular la transformada de Fourier.

La transformada de Fourier

La transformada de Fourier es esencial para analizar la forma de onda resultante y determinar los armónicos presentes. Convierte una forma de onda basada en el tiempo en información basada en la frecuencia, descomponiendo una forma de onda periódica en una serie de ondas sinusoidales que se pueden sumar para reproducir la forma de onda original. Este método ayuda a identificar la frecuencia y magnitud de los armónicos presentes en las líneas, según lo indica el analizador de calidad eléctrica.

[Figura 1: El análisis de Fourier descompone una onda distorsionada en sus armónicos componentes. Imagen cortesía de SALICRU]

Combinando formas de onda

Las formas de onda de diferentes cargas se combinan en puntos donde se unen dos o más cables, como los devanados de un transformador o un bus común que alimenta varios transformadores. Cuando las formas de onda sinusoidales se combinan, se suman y la forma de onda resultante es igual a la suma de los valores individuales. Si una forma de onda es positiva y la otra es negativa pero de igual valor, se cancelan entre sí. Por ejemplo, si dos formas de onda de corriente están exactamente desfasadas, una siendo +10 A y la otra -10 A, la corriente resultante en ese instante es 0.

Jean Baptiste Joseph Fourier desarrolló el concepto detrás del análisis de Fourier, transformando señales variables en el tiempo con armónicos en sus componentes de frecuencia.

Cuando dos formas de onda de corriente están desfasadas pero no se cancelan exactamente, la forma de onda resultante tendrá un valor distinto de cero. Por ejemplo, una fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) consume corriente en pulsos, separados entre sí. Si una forma de onda se desplaza 60° con respecto a la otra y se suman, el resultado tiene dos picos por cada pico de la forma de onda original. Este tipo de cambio y recombinación ocurre en transformadores con devanados estándar delta-estrella o estrella-zigzag, lo que lleva a la cancelación de armónicos triplen.

[Figure 2: Waveforms add together at a wiring junction, with a 60° phase shift canceling triplen harmonics.]

Combining the waveform created by a delta-wye or a wye-zigzag transformer with two other appropriately phase-shifted waveforms creates a new waveform that cancels the 5th, 7th, 17th, and 19th harmonics in addition to the triplen harmonics. This additional phase shift can be achieved with delta-zigzag transformers in parallel with wye-zigzag or delta-wye transformers, visible at the power busbar upstream of the transformer pair.

[Figure 3: Further waveform shifts cancel higher-order harmonics.]

However, if the load on a transformer changes, the waveforms become unbalanced and do not cancel. Although additional phase shifts can be designed to eliminate more harmonics, the benefits are minimal. The transformer bank would need modifications with every load change, which is impractical as loads can vary frequently, such as when computers are turned on or off, or the load on a variable-speed motor drive changes.

Practical Solutions for Harmonics

To practically manage harmonics in power systems, using active harmonic filters (AHF) can be an effective solution. Unlike passive filters, AHFs can adapt to changes in the system and provide real-time filtering of harmonic distortions. They work by injecting currents that cancel out the harmonic components, ensuring a clean power supply.

Furthermore, regular monitoring and maintenance of the power system are crucial. Using power quality analyzers helps in continuously assessing the harmonic levels and identifying potential issues before they cause significant damage. By combining advanced technologies like AHFs with proactive system management, harmonics can be effectively controlled, ensuring the reliability and efficiency of power distribution systems.

YT Solution: YTPQC-AHF

An Active Harmonic Filter (AHF) is an essential component in modern power systems, especially in industrial and commercial settings. YT Electric's Active Harmonic Filter is an advanced power quality solution designed to eliminate harmonics and reactive power in the power system, thereby improving power quality, reducing equipment wear, and lowering maintenance costs.

Key Features

Harmonic Suppression: The Active Harmonic Filter can detect and suppress harmonic currents in real-time. Harmonics are produced by non-linear loads such as variable frequency drives, rectifiers, and computer equipment. These harmonics can cause overheating, reduced efficiency, and shortened lifespan of electrical equipment.

Compensación de potencia reactiva : Además de la supresión de armónicos, el filtro armónico activo de YT Electric también proporciona compensación de potencia reactiva. Esto significa que puede ajustarse dinámicamente a las necesidades del sistema de energía, proporcionando o absorbiendo energía reactiva según sea necesario. Esto mejora el factor de potencia, reduce las pérdidas de energía y mejora la eficiencia general del sistema eléctrico.

Calidad de energía mejorada : al mitigar los armónicos y compensar la potencia reactiva, el AHF mejora la calidad de la energía general. Esto da como resultado un funcionamiento más fluido de los equipos electrónicos sensibles, menos interrupciones y una mayor vida útil del equipo. La mejora de la calidad de la energía también significa el cumplimiento de estrictas normas y regulaciones internacionales, lo que convierte al AHF de YT Electric en una opción confiable para los mercados globales.

Escalabilidad y flexibilidad : AHF de YT Electric está diseñado para ser escalable y flexible, atendiendo a diversas clasificaciones y configuraciones de potencia. Ya sea para pequeños edificios comerciales o grandes plantas industriales, el AHF se puede personalizar para satisfacer necesidades específicas, garantizando un rendimiento óptimo.

Fácil integración y mantenimiento : el AHF está diseñado para una fácil integración en los sistemas de energía existentes con una interrupción mínima. Su interfaz fácil de usar y sus diagnósticos avanzados simplifican el monitoreo y el mantenimiento, lo que reduce el tiempo de inactividad y los costos operativos.