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Cómo reducir la distorsión armónica en sistemas VFD
Los variadores de frecuencia (VFD) ayudan a las fábricas a controlar la velocidad de los motores y a reducir el consumo de energía. Sin embargo, también pueden introducir distorsión armónica en la red eléctrica. Cuando varios variadores operan juntos, estos armónicos pueden aumentar el calentamiento de los transformadores, sobrecargar los cables y afectar a equipos sensibles.
La reducción de la distorsión armónica en los VFD comienza por comprender cómo los variadores generan los armónicos, medir la distorsión real y seleccionar el método de filtrado correcto. Esta guía explica las causas, los riesgos y las soluciones prácticas para los sistemas de energía industrial.
La mayoría de los VFD estándar utilizan un rectificador para convertir la energía de CA entrante en energía de CC. A continuación, un inversor convierte el voltaje de CC en energía de CA de frecuencia variable para controlar el motor.
El problema comienza en el rectificador. Un VFD típico de seis pulsos absorbe corriente en pulsos cortos en lugar de una onda sinusoidal suave. Esto crea corrientes armónicas que fluyen de regreso al suministro eléctrico.
Los armónicos más comunes producidos por los variadores de seis pulsos son el 5º, el 7º, el 11º y el 13º orden. Su magnitud depende del diseño del variador, la impedancia de la red y las condiciones de funcionamiento.
A medida que se instalan más VFD, la corriente armónica combinada puede convertirse en un grave problema de calidad de energía.
La distorsión armónica afecta a algo más que a los propios variadores. Puede aumentar las pérdidas eléctricas y ejercer una tensión adicional sobre los equipos conectados a la misma red.
Los problemas comunes incluyen:
Sobrecalentamiento del transformador: Las corrientes armónicas aumentan las pérdidas en los devanados y las pérdidas dispersas.
Fallos en los bancos de condensadores: Los armónicos pueden causar una corriente excesiva, especialmente cerca de las condiciones de resonancia.
Calentamiento de los cables: Una mayor corriente RMS aumenta las pérdidas en los conductores.
Disparos de interruptores automáticos: Las corrientes distorsionadas pueden contribuir a problemas de protección.
Distorsión de voltaje: Las corrientes armónicas que fluyen a través de la impedancia del sistema distorsionan el voltaje de suministro.
Estos efectos dependen de los niveles de armónicos y del diseño del sistema eléctrico. Una lectura alta de THDi no significa automáticamente daños en los equipos, pero indica la necesidad de una mayor investigación.
Antes de instalar un filtro, los ingenieros deben medir la distorsión armónica utilizando un analizador de calidad de energía.
El analizador debe registrar la corriente fundamental, las corrientes armónicas individuales, la distorsión armónica total y la distorsión de voltaje. Las mediciones deben cubrir la producción normal y las condiciones de operación pico.
Dos valores importantes son:
THDi: Distorsión Armónica Total de corriente, expresada como un porcentaje de la corriente fundamental.
THDv: Distorsión Armónica Total de voltaje, expresada como un porcentaje del voltaje fundamental.
Por ejemplo, un alimentador de VFD con 200 A de corriente fundamental y un 35% de THDi transporta aproximadamente 70 A de corriente armónica combinada.
Esta medición ayuda a los ingenieros a determinar la cantidad de compensación necesaria.
Varias tecnologías pueden reducir la distorsión armónica. La mejor opción depende del número de variadores, sus patrones de funcionamiento y los límites armónicos requeridos.
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Solución |
Cómo funciona |
Mejor aplicación |
|---|---|---|
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Reactor de línea de CA |
Agrega impedancia para reducir los picos de corriente |
VFD individuales |
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Inductancia de enlace de CC |
Suaviza la corriente en el circuito de CC |
Variadores con diseños compatibles |
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Filtro armónico pasivo |
Utiliza componentes eléctricos sintonizados para reducir los armónicos seleccionados |
Cargas relativamente estables |
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Inyecta corriente armónica de compensación |
Múltiples variadores de frecuencia (VFD) y cargas cambiantes |
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Variador de baja emisión de armónicos o con etapa frontal activa (active-front-end) |
Utiliza una etapa de entrada mejorada para reducir los armónicos |
Nuevas instalaciones con límites estrictos |
Las reactancias de línea de CA se encuentran entre las formas más sencillas de reducir la distorsión armónica en los VFD.
Limitan los picos de corriente pronunciados consumidos por el rectificador. Una impedancia de reactancia utilizada habitualmente es de alrededor del 3 %, aunque el valor correcto depende del variador y del sistema.
Las reactancias de línea reducen la corriente armónica, pero no la eliminan. A menudo son adecuadas cuando basta con una reducción moderada de armónicos.
Las inductancias de enlace de CC ayudan a suavizar la corriente dentro del VFD.
Pueden reducir la distorsión armónica de entrada sin requerir un filtro externo separado. Sin embargo, su eficacia depende del diseño del variador y de las condiciones de funcionamiento.
No todos los VFD admiten una inductancia de CC externa, por lo que se debe comprobar la compatibilidad.
Los filtros pasivos utilizan inductores y condensadores para reducir frecuencias armónicas seleccionadas.
Pueden proporcionar una reducción eficaz de armónicos cuando las cargas se mantengan relativamente estables. Sin embargo, su rendimiento depende de la impedancia del sistema y de las condiciones de funcionamiento.
Los ingenieros también deben tener en cuenta los riesgos de resonancia antes de instalar filtros pasivos.
Un filtro armónico activo mide la corriente armónica e inyecta una corriente opuesta para compensar la distorsión.
A diferencia de los filtros pasivos, un AHF puede ajustar su salida a medida que cambia la carga del VFD. Esto lo hace útil para fábricas con múltiples variadores que funcionan a diferentes velocidades.
Un AHF dimensionado correctamente puede reducir significativamente la distorsión armónica. Sin embargo, el resultado final depende del espectro armónico, de la capacidad disponible del filtro y de las condiciones de instalación.
Para nuevas instalaciones, los VFD de baja emisión de armónicos o los variadores con etapa frontal activa pueden ofrecer otra solución.
Estos variadores utilizan tecnologías de entrada diseñadas para reducir la corriente armónica. Pueden resultar eficaces allí donde se requiera un rendimiento armónico estricto.
Sin embargo, su mayor costo inicial debe compararse con las soluciones de filtrado externo.
El dimensionamiento correcto del filtro comienza con la corriente armónica medida, no solo con la potencia del motor.
El cálculo básico es:
Donde:
\(I_H\) = corriente armónica total
\(I_1\) = corriente fundamental
THDi = porcentaje de distorsión armónica de corriente
Considere una planta de fabricación con una corriente de alimentación fundamental de 400 A y un THDi medido del 30 %.
La corriente armónica es:
Por lo tanto, el sistema transporta aproximadamente 120 A de corriente armónica combinada.
Un filtro con una capacidad nominal de alrededor de 120 A podría, en teoría, compensar esa corriente bajo las condiciones medidas. Sin embargo, la selección final debe tener en cuenta la distorsión objetivo, el espectro armónico, la carga máxima y la expansión futura.
Para un dimensionamiento preciso, los ingenieros deben revisar las especificaciones de compensación del fabricante y las mediciones completas de la calidad de la energía.
IEEE 519 establece límites recomendados para la distorsión armónica en el Punto de Acoplamiento Común (PCC).
Un error común es asumir que cada VFD debe alcanzar menos del 5% de THDi.
En realidad, la norma IEEE 519 evalúa la distorsión de corriente utilizando la Distorsión de Demanda Total (TDD). Los límites aplicables dependen de la relación entre la corriente de cortocircuito disponible y la corriente máxima de carga de demanda en el PCC.
También se consideran los límites de distorsión de voltaje.
Por lo tanto, cumplir con IEEE 519 requiere mediciones en la ubicación correcta, no simplemente verificar el THDi mostrado en un VFD.
Varios errores pueden reducir la eficacia de un proyecto de mitigación de armónicos.
El primero es seleccionar un filtro utilizando únicamente la corriente nominal del VFD. La corriente armónica cambia con la carga del variador y el diseño de entrada.
Otro error es medir la distorsión cuando la producción funciona a baja capacidad. Es posible que los resultados no representen las condiciones operativas máximas.
Los ingenieros también deben evitar instalar bancos de condensadores sin verificar la resonancia armónica. Los condensadores pueden interactuar con la inductancia de la red y amplificar ciertas corrientes armónicas.
Finalmente, instalar un AHF en una ubicación incorrecta puede dejar partes de la red eléctrica expuestas a corrientes armónicas no deseadas.
Los VFD estándar de seis pulsos producen comúnmente corrientes armónicas de orden 5, 7, 11 y 13. Sus niveles reales dependen del variador y del sistema eléctrico.
Sí, esto puede ser alcanzable con un dimensionamiento e instalación correctos. Sin embargo, el rendimiento depende de la distorsión existente, las condiciones de operación y la capacidad del filtro.
No. La necesidad de filtrado depende de la distorsión medida, la fortaleza del sistema, la sensibilidad de los equipos y los requisitos aplicables.
Las reactancias de línea pueden proporcionar una reducción armónica útil, pero es posible que no alcancen objetivos estrictos de distorsión. Puede ser necesario un filtrado adicional.
Un AHF se puede instalar en un tablero de distribución principal o cerca de un grupo de VFDs. La mejor ubicación depende de las fuentes armónicas y del punto donde se requiera compensación.
La reducción de la distorsión armónica en los VFD requiere más que instalar un filtro. Los ingenieros primero deben medir la corriente armónica, identificar las fuentes principales y comprender el rendimiento requerido.
Las reactancias de línea y los inductores de CC ofrecen soluciones prácticas para la distorsión moderada. Los filtros pasivos funcionan bien en aplicaciones adecuadas de carga estable, mientras que los filtros activos de armónicos proporcionan una compensación flexible para cargas industriales cambiantes.
Para instalaciones que operan múltiples VFDs, una medición adecuada y el dimensionamiento de los filtros pueden reducir el estrés eléctrico, mejorar la confiabilidad y respaldar el cumplimiento de IEEE 519.
compatible con la red ipv6
