Maximizando la eficiencia industrial: Cómo AHF y SVG superan los desafíos modernos de calidad de energía

Las pérdidas de eficiencia industrial no siempre son de origen mecánico. Una planta puede mantener todas sus máquinas en buen estado y aun así perder energía, capacidad y tiempo de actividad debido a armónicos, potencia reactiva y desequilibrios de corriente trifásica que nunca aparecen en una lista de verificación de mantenimiento.

Los variadores de frecuencia, los equipos alimentados por rectificadores y la electrónica de conmutación rápida aumentan la eficiencia de la producción, pero también hacen que la red subyacente sea menos tolerante a los errores. Este artículo sigue el orden que utiliza el ingeniero: causa, consecuencia, medición, solución, selección y limitaciones.

¿Por qué disminuye la eficiencia industrial mientras las máquinas siguen funcionando?

Corriente armónica procedente de cargas no lineales

Una carga lineal consume corriente como una onda sinusoidal suave en consonancia con la tensión; las cargas modernas no. Los preamplificadores de variadores de frecuencia, los rectificadores de los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), los controladores LED, los calentadores de inducción y los equipos de soldadura consumen corriente en pulsos cortos, y un pulso es la suma de muchas frecuencias. La frecuencia fundamental realiza el trabajo útil; el resto es corriente armónica en órdenes armónicos individuales —normalmente el 5.º, el 7.º, el 11.º y el 13.º, además de los órdenes triples inferiores— que ocupa la capacidad del conductor y del transformador sin realizar trabajo útil.

Potencia reactiva que no está siendo controlada

Los motores, transformadores y accionamientos con carga ligera necesitan corriente de magnetización para generar campos magnéticos.potencia reactivaes esencial pero no produce ningún resultado útil, e infla la corriente consumida para una potencia activa dada: una planta puede funcionar a un nivel bajofactor de potenciamientras que sus medidores aún registran una potencia activa saludable. Cuando la carga cambia rápidamente, los pasos fijos del condensador no pueden seguir el ritmo y el factor de variación se desvía.

Desequilibrio trifásico y corriente de secuencia cero

La alimentación es trifásica; gran parte de la carga no lo es. Los racks de TI, los circuitos de iluminación, los cargadores monofásicos y los pequeños variadores de frecuencia se distribuyen de forma desigual entre las fases. Los armónicos triples (el 3.º, el 9.º y el 15.º, cada múltiplo impar de tres) son de secuencia cero: no se cancelan en el neutro, sino que se suman. Esta es la corriente real de secuencia cero en un neutro que a menudo se dimensiona bajo el supuesto de que las fases equilibradas se cancelan.

Las consecuencias para el sistema de distribución de plantas

Estas corrientes generan calor a través de la misma relación I²R: las pérdidas aumentan con el cuadrado de la corriente eficaz, y la corriente armónica aumenta la corriente eficaz sin aumentar la potencia de salida útil.

• Sobrecalentamiento del transformador y del cable: las pérdidas por corrientes parásitas y dispersas aumentan drásticamente con la frecuencia, por lo que el aislamiento envejece más rápido que la vida útil indicada en la placa de características.
• Sobrecalentamiento del neutro y de las barras colectoras debido a la corriente de secuencia cero.
• Distorsión de voltaje (THDv) en el punto de acoplamiento común (PCC), afectando a todas las demás cargas del autobús.
• Resonancia: un banco de condensadores existente forma un circuito sintonizado con la inductancia del sistema, amplificando un orden armónico en lugar de absorberlo y quemar los fusibles de los condensadores.
• Disparos intempestivos de disyuntores, reinicios de PLC y tiempos de inactividad en alimentadores que no presentan sobrecargas clásicas.

Cómo medir antes de compensar

THDiIndica la magnitud de la distorsión de corriente; los órdenes armónicos individuales muestran el tipo de distorsión, y la THDv indica cómo se manifiesta como distorsión de voltaje en el PCC. Registre el factor de potencia real y de desplazamiento, la potencia reactiva en kvar y la corriente de secuencia cero en el neutro, y realice las mediciones en el PCC y en los cuadros eléctricos donde se ubican los grupos de componentes no lineales, no solo en la entrada principal. La dinámica de carga también es importante: las cargas lentas y rápidas con la misma distorsión promedio requieren equipos diferentes.

La ubicación de los transformadores de corriente (TC) es donde fallan los proyectos. Los transformadores de corriente que alimentan un dispositivo de compensación deben medir la corriente de carga, no la corriente ya corregida, o el controlador no ve ningún error y no hace nada. Los TC se colocan en el lado de carga del punto que se está corrigiendo, y el dispositivo se conecta en paralelo para que solo suministre el componente faltante; la misma regla que para unfiltro armónico activoo ungenerador de variables estáticas.

Cómo funcionan AHF y SVG

Filtro armónico activo (AHF)

UnAHFSe trata de cancelación de ruido en tiempo real para la corriente. Los transformadores de corriente (TC) muestrean la carga, un procesador de señal digital calcula el contenido armónico en cada ciclo y un inversor de fuente de tensión inyecta una corriente de compensación de fase opuesta, cancelando los armónicos en el punto de inyección. Los productos AHF de YT Electric utilizan una topología de inversor de 3 niveles, que se aproxima a una onda sinusoidal con mayor precisión que una etapa de dos niveles con menores pérdidas de conmutación; una alta frecuencia de conmutación del IGBT permite que el dispositivo siga cargas rápidas y cambiantes, mientras que el filtrado de salida controla dv/dt en los terminales del inversor. El filtrado, la compensación reactiva y el balanceo pueden compartir una misma carcasa.

Generador de variables estáticas (SVG)

UnSVGEs un inversor basado en IGBT que suministra potencia reactiva de forma continua. Mide la corriente reactiva e inyecta o absorbe exactamente lo que la carga necesita en milisegundos, manteniendo el factor de potencia cercano a la unidad y corrigiendo el desequilibrio en lugar de conmutar pasos discretos de capacitores. Al no ser un banco de capacitores, no puede formar un circuito resonante con la red, la opción habitual cuando las cargas son rápidas, cíclicas o ya presentan distorsión.

Soluciones híbridas y otras

Cuando un sitio necesita grandes bloques de potencia reactiva de forma continua pero también necesita velocidad,compensación de potencia reactiva híbridaCombina pasos de condensadores conmutados por tiristores (TSC) para kvar masivos con un SVG para ajuste fino. Los filtros pasivos desintonizados y los reactores de línea son adecuados para cargas estables dominadas por una familia armónica, y unbalanceador de carga activoBusca el desequilibrio y la calefacción neutra.

AHF vs SVG vs Filtro pasivo vs Reactor lineal vs Híbrido

Lea la comparación con el perfil de carga medido, no de forma aislada.

Matriz de selección de ingeniería

Una primera evaluación, que deberá confirmarse mediante un estudio in situ, en función de las cinco preguntas que determinan el dispositivo: carga, perfil armónico, demanda reactiva, dinámica y entorno.

Limitaciones: Dónde termina la compensación activa

• Distorsión residual.Un analizador de armónicos acústicos (AHF) cancela lo que puede medir dentro de su capacidad nominal actual; más allá de eso, los armónicos residuales deben volver a medirse después de la puesta en servicio.
• Armónicos aguas arriba.La distorsión causada por otros clientes en el mismo alimentador no se puede eliminar en su PCC.
• Todavía hay que controlar la resonancia.La compensación activa no desajusta un banco de condensadores existente.
• El dimensionamiento se basa en la carga, no en el transformador;Las medidas indicadas en la placa de identificación serán incorrectas en ambas direcciones.
• Ningún dispositivo compensa un cable de tamaño insuficiente., terminaciones deficientes o un neutro sobrecargado.
• El sistema de recompensas es específico de cada sitio.El ahorro proviene de la reducción de pérdidas, la liberación de capacidad y la evitación de sanciones, por lo que para obtener una cifra real se necesitan sus propios datos.

Preguntas frecuentes

¿Cómo puedo elegir entre un AHF y un SVG?

Elija según lo que esté corrigiendo. La distorsión de corriente y los órdenes armónicos individuales requieren un AHF; la potencia reactiva dinámica que varía con la carga requiere un SVG. Las instalaciones que presentan ambos problemas utilizan un gabinete combinado o un sistema híbrido.

¿Qué debo medir antes de seleccionar un filtro?

Registre la THDi y los órdenes armónicos individuales, la THDv en el PCC, el factor de potencia real y de desplazamiento, la potencia reactiva en kvar, la corriente de secuencia cero y la rapidez con que cambia la carga. El tamaño se determina a partir de la corriente de carga medida, no de la potencia nominal del transformador.

¿Dónde deben colocarse los tomógrafos computarizados?

Los transformadores de corriente (TC) miden la corriente de carga en el lado de carga del punto que se está corrigiendo, y el AHF o SVG se conecta en paralelo para que inyecte únicamente la corriente reactiva o armónica faltante. Si los TC detectan la corriente corregida, el controlador no detecta ningún error y el dispositivo permanece inactivo.

¿Qué mantenimiento y rentabilidad debo esperar?

Los dispositivos activos requieren un flujo de aire limpio e inspecciones periódicas de los ventiladores, los filtros y los circuitos de refrigeración; los sistemas híbridos de condensadores también necesitan comprobaciones del estado de los condensadores. El retorno depende de su tarifa, la estructura de penalizaciones, el perfil de carga y las horas de funcionamiento, por lo que debe calcularlo a partir de sus propios datos de medición.

Siguiente paso

Comience con un estudio de calidad de energía en el PCC y en los cuadros de carga no lineales principales, luego seleccione el dispositivo que mejor se adapte al perfil armónico, la demanda reactiva, la dinámica de carga y el espacio disponible. YT Electric suministra AHF, SVG e híbridos.calidad de la energíaSoluciones para aplicaciones industriales y de servicios públicos.

Envíe los resultados de su encuesta (órdenes armónicas, kvar y perfil de carga) y nuestro equipo de ingeniería se encargará de...revise sus datos de calidad de energíay recomendarle la configuración correcta para su planta.