«¿Sabías que los filtros de armónicos pueden ayudarte a ahorrar dinero y mejorar la eficiencia energética en tu empresa? En este artículo, descubrirás cómo funcionan estos dispositivos, cuánto cuestan y cuál es su efectividad. ¡No te pierdas esta guía completa para optimizar tu consumo eléctrico y reducir los problemas causados por los armónicos!»
La característica principal de un sistema eléctrico es su forma de onda que, en todas las condiciones de operación y de carga, debe permanecer siempre como una onda sinusoidal pura. Se puede decir que los factores que alteran esta forma de onda sinusoidal afectan la calidad de la energía dentro del sistema eléctrico.
El nivel de armónicos en la red eléctrica actual está aumentando constantemente debido a la introducción de cargas de electrónica de potencia energéticamente eficientes, generalmente denominadas cargas no lineales. Estas cargas no lineales, a pesar de ser energéticamente eficientes, contaminan la red eléctrica con armónicos, lo que provoca una degradación de la calidad de la energía que, a su vez, afecta el rendimiento de otros equipos eléctricos dentro de la misma red. En casos extremos, los armónicos introducidos por las cargas no lineales son suficientes para causar avería y avería de los equipos.
Además de esto, el uso de condensadores de corrección del factor de potencia complica aún más todo el escenario. Aunque los capacitores por sí mismos no generan armónicos, interactúan con los armónicos existentes en la red y la impedancia de la red provocando un fenómeno llamado ‘Resonancia’. Sin embargo, el uso de capacitores de potencia está creciendo rápidamente debido a las severas penalizaciones impuestas por las empresas eléctricas si los consumidores operan su red a niveles bajos de factor de potencia.
Además de esto, el uso de condensadores de corrección del factor de potencia complica aún más todo el escenario. Aunque los capacitores por sí mismos no generan armónicos, interactúan con los armónicos existentes en la red y la impedancia de la red provocando un fenómeno llamado ‘Resonancia’. Sin embargo, el uso de capacitores de potencia está creciendo rápidamente debido a las severas penalizaciones impuestas por las empresas eléctricas si los consumidores operan su red a niveles bajos de factor de potencia.
Irónicamente, una red sin carga no lineal también puede tener problemas de armónicos, ya que la red eléctrica puede importar armónicos de la red de suministro principal. Esto se observa con frecuencia en las condiciones de la India, donde la propia red de suministro está contaminada con armónicos introducidos por varios consumidores. En los casos en que los armónicos están presentes en el nivel de suministro principal, la calidad general de la energía dentro de la red es baja y el uso de capacitores de potencia en tal escenario también puede generar resonancia. El problema experimentado en una red tan limpia es similar a los problemas experimentados en redes que contienen muchas cargas no lineales.
Además de esto, el uso de condensadores de corrección del factor de potencia complica aún más todo el escenario. Aunque los capacitores por sí mismos no generan armónicos, interactúan con los armónicos existentes en la red y la impedancia de la red provocando un fenómeno llamado ‘Resonancia’. Sin embargo, el uso de capacitores de potencia está creciendo rápidamente debido a las severas penalizaciones impuestas por las empresas eléctricas si los consumidores operan su red a niveles bajos de factor de potencia.
Irónicamente, una red sin carga no lineal también puede tener problemas de armónicos, ya que la red eléctrica puede importar armónicos de la red de suministro principal. Esto se observa con frecuencia en las condiciones de la India, donde la propia red de suministro está contaminada con armónicos introducidos por varios consumidores. En los casos en que los armónicos están presentes en el nivel de suministro principal, la calidad general de la energía dentro de la red es baja y el uso de capacitores de potencia en tal escenario también puede generar resonancia. El problema experimentado en una red tan limpia es similar a los problemas experimentados en redes que contienen muchas cargas no lineales.
Se observa comúnmente que los armónicos existen en niveles variables en casi todas las redes eléctricas, y el uso de condensadores de corrección del factor de potencia convencionales tiende a causar fenómenos indeseables de resonancia que agravan aún más todo el problema.
COSTE RELACIONADO CON LA CONTAMINACIÓN ARMÓNICA EN LA RED ELÉCTRICA
Las implicaciones de costos de los efectos nocivos de los armónicos se pueden clasificar de la siguiente manera para su mejor comprensión.
Costo directo
El costo directo surge del aumento del consumo de energía debido a mayores pérdidas y resulta en un costo de energía inflado. Estas mayores pérdidas de energía se producen porque la resistencia de todos los componentes que transportan corriente aumentó a frecuencias armónicas más altas debido al efecto pelicular. Debido al fenómeno del efecto pelicular, todos los componentes portadores de corriente exhiben una mayor I2pérdidas R. El consumo de energía también aumenta en equipos como motores, transformadores, etc.
Costo indirecto
Hay varios costos indirectos asociados con la presencia de armónicos en la red. Los componentes de costos indirectos se pueden clasificar como bajo.
A) Costos de mantenimiento
La contaminación armónica en las redes eléctricas provoca varios problemas. Debido a esto, la actividad de mantenimiento a realizar en varios equipos aumenta, lo que genera costos de mantenimiento adicionales. Por ejemplo, el aislamiento del motor se degrada debido al calentamiento excesivo causado por el flujo de corrientes armónicas y puede causar una falla prematura. Deben rebobinarse con frecuencia, lo que aumenta los costos de mantenimiento.
B) Costos de tiempo de inactividad
Los equipos tienden a fallar más a menudo en ambientes eléctricos contaminados con armónicos. Todas estas fallas dan como resultado la pérdida de producción debido al aumento del tiempo de inactividad. La pérdida financiera asociada con el tiempo de inactividad depende de la naturaleza de la industria, siendo el costo más alto para las industrias de procesos continuos como la petroquímica o la cementera.
D ) Costos de reemplazo de equipos
En ciertos casos, un alto nivel de armónicos en la red eléctrica provoca la avería total del equipo (por ejemplo, una tarjeta PLC sensible, dispositivos electrónicos, etc.). Como resultado, el equipo dañado tiene que ser reemplazado, lo que impone un alto costo de reemplazo.
E) Coste del derating del equipo
Cuando los armónicos están presentes en una red eléctrica, los equipos conectados a ella deben tener un cierto nivel de inmunidad a los armónicos para poder funcionar normalmente. Un método para aumentar los niveles de inmunidad de los equipos es la reducción de potencia.
Es interesante señalar en esta etapa, los lineamientos especificados por la nueva IEC 61000-2-4. Según esta norma, las redes eléctricas se clasifican de acuerdo al nivel de distorsión armónica de tensión bajo el cual operan. Las clasificaciones son las siguientes.
1) Clase 1: hasta un 5 % de distorsión armónica total en la tensión
2) Clase 2: hasta un 8 % de distorsión armónica total en la tensión
3) Clase 3: hasta un 10 % de distorsión armónica total en la tensión
El usuario de la red eléctrica debe declarar su clase de instalación, en función de la distorsión permisible anterior en su red, y adquirir equipo eléctrico adecuado para operar en dicho entorno. Por lo tanto, los usuarios de clase 3 deben asegurarse de que su equipo eléctrico tolere un nivel de distorsión del 10 %. Dichos equipos inmunes a los armónicos serían más caros en comparación con los equipos de categoría clase 1. Así, la presencia de mayor distorsión armónica requiere equipos con mayor inversión contribuyendo a mayores costos indirectos.
COSTO DE SEGURIDAD
Garantizar la seguridad eléctrica en una red es un requisito primordial de cualquier diseñador o consultor. Garantizar esta seguridad en presencia de distorsión armónica exige una mejor comprensión de esta situación e implica un componente de costo adicional. Este criterio de seguridad es extremadamente importante en los edificios modernos, ya sean comerciales o residenciales.
Los ‘armónicos triplen’ son una categoría especial de armónicos con frecuencias iguales a múltiplos impares de tres como 150 Hz, 450 Hz, etc. Estos armónicos tienden a fluir en el neutro ya que son de secuencia cero por naturaleza.
Los armónicos triples son generados por cargas monofásicas impulsadas por SMPS, como computadoras, televisores y otros equipos de oficina. En instalaciones donde tales cargas son abundantes, como parques informáticos, edificios modernos, etc., la magnitud de la corriente neutra puede ser mayor que las corrientes de línea. Los conductores neutros de diseño convencional sujetos a tales condiciones se sobrecalientan y provocan riesgos de incendio. También existe el riesgo de que el neutro esté en circuito abierto y cause voltajes peligrosos en los equipos monofásicos. Esto puede provocar la falla total del equipo y también representa un grave riesgo para la vida del personal operativo.
“EMISIÓN ARMÓNICA- compatibilidad- Niveles de inmunidad
Los estándares internacionales de aplicación para el sistema de distribución de energía industrial y no pública de hasta 35 KV son IEC 61000-2-4. Es importante señalar que la segunda edición de esta norma se emitió en junio de 2002 con una mención específica en el prólogo de que es aplicable sin cambios hasta 2010.
Además, esta norma define el nivel de ‘compatibilidad’ como el nivel de perturbación electromagnética especificado utilizado como nivel de referencia en un entorno específico para la coordinación en el establecimiento de límites de emisión e inmunidad.
Este nivel de compatibilidad generalmente se elige de tal manera que solo hay una probabilidad muy baja de que sea excedido por el nivel de perturbación real. En este contexto, es necesario planificar el diseño y la operación de la red de suministro de energía en el área correspondiente. Este nivel de compatibilidad es generalmente aplicable en el punto de acoplamiento-IPC en la planta. El IPC es ese punto en una instalación de red, eléctricamente más cercano a una carga en particular, en el que otras cargas están, o podrían estar, conectadas. El IPC es diferente del punto de acoplamiento común, es decir, PCC, que es el punto específico definido en una red de suministro de energía pública.
El enfoque moderno consiste en clasificar todos los entornos electromagnéticos, es decir, las instalaciones eléctricas, en clases específicas. Las diversas clases se especifican en la cláusula 4 de esta norma IEC. Los niveles de compatibilidad para armónicos en cada clase se especifican en la cláusula 5 de esta norma. Por lo tanto, es necesario asegurarse de que el nivel de emisión de armónicos debe estar dentro de los niveles de compatibilidad. En caso de que los niveles de emisión excedan los niveles de compatibilidad, es necesaria la mitigación para llevar los niveles armónicos dentro de los niveles de compatibilidad.
Es en este contexto que debe verse el concepto de niveles de inmunidad. Varios productos utilizados en el sistema de alimentación son susceptibles de mal funcionamiento/fallo si sus límites de inmunidad son incompatibles con los niveles de compatibilidad aplicables. Por lo tanto, los límites de inmunidad siempre deben verse en el contexto de los estándares del producto, así como de los niveles de compatibilidad.
El enfoque recomendado para lograr los niveles de «Compatibilidad» consiste en una o más de las siguientes acciones:
- Aumentar los niveles de inmunidad
- Desacoplamiento de circuitos
- Disminuir los niveles de emisión
SOLUCIONES DE MITIGACIÓN DE ARMÓNICOS
Está suficientemente claro que los armónicos deben mitigarse para garantizar un funcionamiento fiable y rentable de las redes eléctricas. Hay varias técnicas que se pueden emplear para reducir los niveles de armónicos en las redes eléctricas. En términos generales, cada solución de mitigación de armónicos debe proporcionar los siguientes beneficios:
1) Reducir los armónicos en la red a un nivel deseado
2) Proporcione los kVAr capacitivos requeridos para mejorar el factor de potencia a un valor objetivo deseado. Esta función es análoga a la función de un condensador de corrección del factor de potencia convencional.
3) Evitar la aparición de resonancias en serie o en paralelo
Es interesante notar el siguiente concepto, que forma una base importante del diseño de filtros armónicos.
Como las cargas varían dinámicamente, los condensadores también varían para mantener el factor de potencia deseado en varios lugares de la red. Por lo tanto, la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva equivalentes de la red varían continuamente y se vuelven iguales a una frecuencia particular, causando resonancia a esa frecuencia. Si los componentes armónicos generados por cargas no lineales en la red coinciden con esta frecuencia, se produce una resonancia que resulta en la amplificación de las corrientes armónicas en las redes.
El concepto de amplificación armónica se puede entender por la figura que se muestra arriba. Los tres ingredientes de la amplificación armónica se representan como los tres lados del triángulo. La eliminación de cualquiera de ellos de la red da como resultado la minimización del riesgo de amplificación armónica. La eliminación total de la distorsión armónica no es posible en presencia de varias cargas no lineales existentes en las redes actuales. Lógicamente, es cierto que si eliminamos la carga no lineal, no habrá armónicos y, por lo tanto, se eliminarán todos los problemas relacionados.
A continuación, pensar en eliminar la inductancia no es una solución práctica, ya que significa evitar el uso de transformadores, motores de inducción e incluso barras colectoras, ya que contribuye a la inductancia. Hipotéticamente, incluso si asumimos que la eliminación de la inductancia es posible, la resonancia no puede ocurrir, evitando así la amplificación armónica.
Por último, significa que la única forma plausible de evitar la amplificación armónica es eliminar los capacitores, lo que significa que no se puede lograr la corrección del factor de potencia. Esto también significa que los condensadores no se pueden eliminar de las redes eléctricas.
De lo anterior, está claro que, en la práctica, la distorsión armónica y la impedancia inductiva son una parte esencial de todas las redes modernas y no se pueden eliminar. Por lo tanto, ¿cómo gestionamos una red en la que coexisten los tres elementos completos? La respuesta es tener un dispositivo adecuado que se comporte como un capacitor en la frecuencia fundamental (donde se requiere la corrección del factor de potencia) y se comporte como una inductancia en las frecuencias armónicas para evitar la amplificación de los armónicos debido a la resonancia.
Esto, en esencia, es el origen del concepto subyacente en el desarrollo del filtrado armónico.
Sin embargo, es un hecho que, debido a la creciente diversidad en la naturaleza de las cargas y las características cambiantes de la red, se ha vuelto a disminuir los niveles de emisión y, por lo tanto, se logra el nivel de compatibilidad.
El enfoque para disminuir los niveles de emisión involucra dos enfoques secundarios. Ellos son
- Seleccione el equipo que tenga un nivel de emisión más bajo, por ejemplo
a) Use un convertidor de 12 pulsos en lugar de un convertidor de 6 pulsos
b) Use sistemas UPS con niveles de emisión inherentemente bajos
- Instalar equipos para filtrar los armónicos y así lograr nivel de compatibilidad
El filtrado deseado de armónicos se puede lograr aplicando uno o más de los siguientes tipos de filtros:
- filtro pasivo
- filtro activo
- Filtro híbrido
Es en este contexto que debe verse el concepto de niveles de inmunidad. Varios productos utilizados en el sistema de alimentación son susceptibles de mal funcionamiento/fallo si sus límites de inmunidad son incompatibles con los niveles de compatibilidad aplicables. Por lo tanto, los límites de inmunidad siempre deben verse en el contexto de los estándares del producto, así como de los niveles de compatibilidad.
El enfoque recomendado para lograr los niveles de «Compatibilidad» consiste en una o más de las siguientes acciones:
- Aumentar los niveles de inmunidad
- Desacoplamiento de circuitos
- Disminuir los niveles de emisión
SOLUCIONES DE MITIGACIÓN DE ARMÓNICOS
Está suficientemente claro que los armónicos deben mitigarse para garantizar un funcionamiento fiable y rentable de las redes eléctricas. Hay varias técnicas que se pueden emplear para reducir los niveles de armónicos en las redes eléctricas. En términos generales, cada solución de mitigación de armónicos debe proporcionar los siguientes beneficios:
1) Reducir los armónicos en la red a un nivel deseado
2) Proporcione los kVAr capacitivos requeridos para mejorar el factor de potencia a un valor objetivo deseado. Esta función es análoga a la función de un condensador de corrección del factor de potencia convencional.
3) Evitar la aparición de resonancias en serie o en paralelo
Es interesante notar el siguiente concepto, que forma una base importante del diseño de filtros armónicos.
Como las cargas varían dinámicamente, los condensadores también varían para mantener el factor de potencia deseado en varios lugares de la red. Por lo tanto, la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva equivalentes de la red varían continuamente y se vuelven iguales a una frecuencia particular, causando resonancia a esa frecuencia. Si los componentes armónicos generados por cargas no lineales en la red coinciden con esta frecuencia, se produce una resonancia que resulta en la amplificación de las corrientes armónicas en las redes.
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