La generación y el impacto de los problemas armónicos.

La generación y el impacto de los problemas armónicos.

Los armónicos en los sistemas eléctricos son causados ​​por componentes no lineales que distorsionan la onda sinusoidal de la corriente eléctrica. A medida que la electrónica de potencia se vuelve más común, también aumenta la distorsión de voltaje o armónicos. Dispositivos como variadores de frecuencia (VFD), fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) e inversores introducen diferentes tipos de armónicos en el sistema. Estos armónicos pueden provocar problemas como fallas en los dispositivos, sobrecalentamiento y una vida útil más corta del equipo. El uso de filtros de armónicos puede ayudar a reducir o eliminar estos armónicos dañinos antes de que causen daños.

Comprensión de los armónicos en los sistemas de energía eléctrica

Las corrientes armónicas resultan del comportamiento no lineal de los dispositivos eléctricos. Estas corrientes y los voltajes armónicos que causan provienen de diversas fuentes que pueden variar mucho en tamaño. Históricamente, dispositivos como transformadores o generadores eran fuentes importantes de armónicos. Hoy en día, con la atención puesta en la eficiencia energética, la reducción de los armónicos sigue siendo importante para muchas industrias, como las de tratamiento de agua y las de petróleo y gas.

Muchas instalaciones deben cumplir estrictos estándares operativos y ambientales, y a menudo funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana. La mayoría de los problemas de energía dentro de estas instalaciones se originan en la propia planta. Los armónicos, que son comunes en estos sistemas, pueden causar desde molestias menores hasta fallas graves en el equipo. Filtrar estos armónicos, ya sea mediante soluciones activas o pasivas, es crucial para mejorar el rendimiento de los equipos y garantizar la confiabilidad del sistema eléctrico de la instalación.

IEEE 519-2014 y filtrado de armónicos

El estándar IEEE 519-2014 es una directriz ampliamente reconocida que especifica los niveles máximos permitidos de distorsión de corriente y voltaje en el punto de acoplamiento común (PCC). Estos límites dependen de la carga del sistema y de la corriente de cortocircuito.

El uso de filtros y reactores de armónicos pasivos y activos ECOsine® en el sistema eléctrico puede reducir los armónicos a niveles que cumplen con la mayoría de los estándares internacionales. Estos filtros ayudan a reducir la carga en líneas y transformadores aguas arriba de cargas no lineales, lo que reduce las pérdidas del sistema y las temperaturas de funcionamiento. También mejoran el factor de potencia, manteniéndolo cerca de la unidad incluso cuando la carga no está a plena capacidad.

Impacto de los armónicos en los equipos

Los inversores de frecuencia se utilizan comúnmente para controlar motores de CA en diversas aplicaciones, como bombas, ventiladores y sistemas HVAC. Estos inversores suelen utilizar técnicas de conmutación de semiconductores de alta velocidad que pueden crear problemas de armónicos.

Las aplicaciones de alta potencia, como hornos de arco y equipos de soldadura, también generan una distorsión armónica significativa debido a su funcionamiento no lineal. Esto puede provocar patrones armónicos inusuales y desafíos para el sistema eléctrico.

Sensitive electronic components, such as those in CNC machines, are particularly vulnerable to power system imperfections caused by harmonics. These issues can lead to equipment malfunctions, production delays, and quality problems, which can have financial consequences for the company.

Variable speed drives, often used in pumps and fans, contribute to harmonic distortion, which can overload the electrical infrastructure and cause malfunctions in sensitive equipment. In water treatment facilities, powerful VFD-driven air compressors can create high levels of harmonic distortion, leading to serious problems.

Harmonics can severely impact the electrical power network, leading to failed components, tripped breakers, blown fuses, overheating, insulation breakdown, and reduced equipment lifespan. These issues can cause production downtime and costly repairs, reducing company profits.

To fully understand and address harmonic issues, a site survey or engineering study may be needed. Many facilities follow the IEEE 519-2014 guidelines to ensure acceptable distortion levels. Reviewing the entire system, including any planned or new equipment, is essential for effective harmonic mitigation.

Passive Harmonic Filters

One way to reduce harmonics is by using passive harmonic filters. These filters are usually installed on a one-to-one basis, with one filter for each VFD. In some cases, a larger filter can handle multiple drives.

The best place to eliminate harmonics is directly at the source—the individual nonlinear load. A passive filter provides a low-resistance path for harmonic currents, significantly reducing the harmonics in the electrical system. This helps the system draw cleaner, sinusoidal current from the power source.

Installing passive harmonic filters immediately benefits the system by reducing harmonic amplitudes, lowering losses, and improving equipment efficiency and reliability. These filters also help maximize the capacity of the electrical system.

Passive filters can reduce total harmonic current distortion to acceptable levels, meeting IEEE 519 standards. They are designed to perform well under both full and partial load conditions.

Passive filters come in two types: those reducing total harmonic distortion to less than 5% (THDi) and those reducing it to 7-10% THDi. While IEEE 519 is often , sometimes a 7% or 8% improvement is sufficient for the end user. Generally, passive filters are more economical than active filters but may not address a wide range of harmonics.

Active Harmonic Filters

Another method to reduce harmonics is using active harmonic filters (AHF). These devices monitor the nonlinear load and dynamically inject a counter-current to cancel out harmonics. This keeps the current supplied by the power source sinusoidal and reduces harmonic distortion to below 5% THDi, meeting standards.

Los AHF están diseñados para adaptarse rápidamente a los cambios de carga y manejar armónicos de hasta el orden 50. Operan en un amplio rango de frecuencias, ajustándose según sea necesario al espectro armónico.

Además de reducir los armónicos, los filtros de armónicos activos pueden mejorar el factor de potencia al compensar la corriente reactiva. También equilibran las cargas de fase. Los AHF son compactos, eficientes y pueden instalarse en cualquier punto de una red de CA de bajo voltaje. Ofrecen más funcionalidad que los filtros pasivos, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones.

Los AHF son versátiles y se pueden utilizar para cargas no lineales únicas o múltiples. Son especialmente útiles en entornos donde los métodos tradicionales de corrección del factor de potencia son insuficientes debido al alto contenido de armónicos.

Ejemplo de aplicación de filtro activo

En una aplicación, el equipo de corrección del factor de potencia sufrió pérdidas debido a armónicos. La instalación de un AHF con una corriente de compensación de 500 A proporcionó el alivio eléctrico y térmico necesario, mejoró la calidad de la energía e hizo posible agregar un generador de respaldo. La capacidad del AHF para adaptarse a las condiciones cambiantes de la red y de la carga garantizó el funcionamiento continuo de la planta de tratamiento de aguas residuales.

Pensamientos finales

Después de identificar los problemas armónicos, es importante revisar e implementar la solución correcta. Teniendo en cuenta los numerosos problemas causados ​​por los armónicos (como fallas de equipos, costos de mantenimiento y tiempos de inactividad de la producción), mantener registros de estos costos puede ayudar a justificar la inversión en equipos de mitigación y calcular el retorno de la inversión (ROI).