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Filtrado activo de armónicos

@cmdearcos
Grupo TIECs

Tengo que empezar este artículo dando las gracias a todo el mundo que me ha hecho llegar sus comentarios del artículo calidad de la energía que escribí hace unos días.

Después de aquella introducción al mundo de los armónicos voy a realizar este artículo sobre el filtrado (o compensación) activa de armónicos.

Le he dado muchas vueltas al tema y no he encontrado ninguna forma de hacer este artículo sin hacer referencia a temas técnicos. Intentaré hablar lo mínimo posible como un técnico y al final intentaré poner una serie de conclusiones para que aquellas personas menos técnicas puedan entender el objetivo de este artículo. Espero conseguirlo.

Para hablar de compensación de armónicos necesitamos recordar algunos conceptos que dimos en primero de carrera en análisis de circuitos.

Hay que hacer un apunte respecto al principio de superposición. Este está definido para circuitos lineales y en el caso de la existencia de armónicos estamos hablando de circuitos no lineales.

Un dispositivo de filtrado de armónico activo introduce una intensidad que anula (desfasada 180º) la corriente de cada uno de los armónicos. A continuación os muestro un esquema que explica el funcionamiento de los dispositivos de filtrado de armónicos activos.

Esquema

¿Qué difiere entre los distintos tipos de filtros activos de armónicos?. Las diferencias básicas entre unos y otro son:

  • Tecnología de análisis de armónicos. Para calcular la intensidad a inyectar al circuito es necesario calcular la intensidad de cada uno de los armónicos. Hay electrónica y algoritmos más rápidos que otros y en función de cómo varíen los armónicos es conveniente un tipo de solución u otra. Hay que evitar matar moscas a cañonazos.
  • Tipo de compensación. Hay compensación en serie y en paralelo, siendo adecuado uno u otra en función del circuito a compensar.

El coste de estos equipos es alto, pero las ventajas de su instalación también es alto. Quiero hacer hincapié en que el filtrado de armónicos mejora la vida útil de los equipos, porque reduce el calentamiento de muchas partes del circuito.

Aquí os pongo algunas ventajas del filtrado activo de armónicos:

  • Reducen la THDi.
  • Mejora el factor de potencia (son capaces de eliminar la penalización de reactiva).
  • Elimina la reactiva capacitiva (fuentes de alimentación).
  • Equipos necesarios para funcionar junto con generadores de emergencia.
  • Eliminan el riesgo de resonancia armónica.
  • No se sobrecargan.
  • Son adaptables (y en muchos casos modulares).
  • Permiten programar que armónicos eliminar y en qué porcentaje.

Como conclusión quiero decir varias ideas.

La elección de un equipo de filtrado de activo de armónicos depende de muchos factores. El filtrado de armónicos empieza con un estudio exhaustivo y para ello es necesario apoyarse en Gestores energéticos con experiencia en filtrado de armónicos.

El coste del filtrado de armónico es relativamente alto. Pero si lo comparamos con las ventajas que produce en las grandes corporaciones el coste es bajo. Sin entrar en otras ventajas, podemos aumentar la vida útil de equipos de millones de € de 8 años a 10 años con inversiones menores de 100.000 € (equipos + análisis). El precio de las soluciones y las ventajas depende de cada instalación (lo anterior es solo un ejemplo real).

Es aconsejable que dentro de una auditoría energética se haga un estudio de armónicos. Aunque el coste de la auditoría aumenta, no lo hace tanto que lo que supondría el coste especifico de un estudio de armónicos. En el caso de sospechar que una empresa tiene problemas de armónicos (p.e. saltos de diferenciales sin causa “justificada”) es más rentable realizar una auditoría energética donde se incluya un estudio armónico que un análisis de armónicos exclusivamente.

Por último quiero comentar para que nadie se lleve a engaños que este tipo de soluciones no evita los grandes armónicos que se producen en un transitorio (p.e. arranque de un motor). Los transitorios se producen en un tiempo infinitesimal y ninguna electrónica a día de hoy puede actuar tan rápido para compensar dichos picos. El tema de los transitorios tiene una solución diferete a los filtros activos de armónicos.

Os dejo aquí un fichero por si queréis ampliar información sobre este tema: Guia-Calidad-3-3-3-Armonicos-Compensadores-activos

@cmdearcos
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Calidad de la energía

@cmdearcos
Grupo TIECs

Dentro del tema de calidad de la energía (UNE 50160) me voy a centrar en este primer artículo en los armónicos, haciendo una brevísima introducción al tema.

¿Qué es un armónico?. Después de probar muchas definiciones no encuentro una descripción sencilla de entender por alguien que no tenga formación técnica. Por ello me voy a tomar ciertas libertades técnicas para intentar ser más claro: Todos sabemos que la tensión eléctrica que nos llega a casa tiene una frecuencia de 50 hz, lo que significa que la tensión pasa de 230 V a -230V y viceversa 50 veces por segundo (sí, a esto me refería con tomarme ciertas libertades porque la tensión máxima de la tensión eléctrica es de 325 V). Un armónico es la tensión que mediríamos en frecuencias múltiplo de 50 hz: 100 hz (2º armónico), 150 hz (3º armónico), …, 250 hz (5º armónico), etc.

¿Quién crea los armónicos?. Los equipos que generan armónicos son aquellos que tienen cargas no lineales (diodos y transistores, básicamente). Como ejemplos de sistemas podemos citar los siguientes:

Cargas monofásica:

  • Fuentes conmutada de alimentación.
  • Estabilizadores electrónicos de dispositivos de iluminación fluorescente.
  • Pequeñas unidades de sistemas de alimentación ininterrumpida.

Cargas trifásicas:

  • Motores de velocidad variable.
  • Grandes unidades de UPS.

Hay equipos que generan distorsión en tensión y otros en intensisdad, aunque la mayoría de los equipos lo hace en mayor o menor medida en ambas.

Aquí os dejo los armónicos que genera la fuente conmutada de un PC.

A continuación os muestro un gráfico donde se ve una señal descompuesta en su frecuencia fundamental (50 hz), el 3º armónico (150 hz) y el 5º armónico (250 hz).

 

La señal distorsionada cuya descomposición hemos visto anteriormente es esta:

 

Esta señal tiene poco que ver con lo que todos entendemos como una señal correcta (que es la fundamental). Señales distorsionadas provocan una serie de problemas. Aquí os listo algunos de ellos:

  • Sobrecarga en los conductores de neutro.
  • Sobrecarga de los transformadores.
  • Disparos de los interruptores automáticos.
  • Sobrecarga de los condensadores de corrección del factor de potencia.
  • Ruido de paso por cero.
  • Reducción de la vida útil de los equipos y sistemas.

A modo de ejemplo me voy centrar en el primero de los problemas: sobrecarga en los conductores de neutro.

La corriente que pasa por un conductor de neutro cuando las cargas del trifásico están compensadas es 0 (cosas de la física!!!).

trifasico equilibrado

 

Cuando el trifásico no está equilibrado la corriente que pasa por el conductor de neutro no es cero, pero el valor de dicha corriente es menor que las corrientes de las fases.

Trifasico no equilibrado

 

Cuando la carga trifásica no es lineal la corriente que circula por el neutro no es cero e incluso puede ser mayor que la corriente que circula por las fases.En estos casos el diámetro de los conductores del neutro debe ser mayor que el de las fases para evitar sobre calentamientos (perdidas de energía por efecto Joule) o incluso en casos extremos evitar que salgan ardiendo los cables.

neutro carga no lineal

 

En una instalación tradicional el neutro suele tener un diámetro menor que las fases. La instalación de elementos que generen armónicos puede ocasionar el cambio del conductor de neutro por otro de mas sección.

Quiero mostraros una fotografía donde se mide la corriente que pasa por un cable con dos equipos similares de la misma marca. El que marca 40,5 mide la corriente a 50 hz. El que marca 59,2 mide toda la corriente que pasa por el cable hasta los 2 khz (40º armónico).

RMS vs TRMS

 

Después de ver por encima los problemas que pueden causar los armónicos hay que decir que los armónicos se pueden eliminar (no totalmente pero casi). Las soluciones de eliminación de armónicos en general son caras y solo se plantean en aquellas instalaciones con un gran consumo energético y con sistemas muy caros.

Centros comerciales e industrias son las instalaciones donde he realizado proyectos de filtrados de armónicos. En los últimos años se ha empezado a popularizar soluciones económicas de filtrado pasivo para oficinas cuyo objetivo es la eliminación de los armónicos generados por las fuentes conmutadas de los ordenadores.

Un análisis de armónicos y, de forma genérica, de la calidad de la señal de red es muy importante al realizar una auditoría energética. Cuando me piden que justifique el precio de las auditorías que realizo frente a la de otros compañeros este es uno de los puntos donde nos diferenciamos. La auditoría energética no solo se tiene que centrar en el ahorro económico (un aspecto fundamental) sino en el cumplimiento de la legislación vigente, en este caso de la norma UNE 50160.

Espero que al menos os haya quedado la idea de que las cargas no líneas generan armónicos y que estos son problemáticos, siendo muy importante eliminarlos o al menos minimizarlos.

Os dejo un par de ficheros por si queréis ampliar información.

@cmdearcos
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