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Introducción a los filtros armónicos.

Los filtros armónicos, al igual que los superhéroes, protegen sus sistemas de energía. Luchan contra los armónicos dañinos que pueden dañar la calidad de su suministro eléctrico. Existen dos tipos principales de estos protectores: filtros de armónicos activos y filtros de armónicos pasivos.

Comprensión de los armónicos y su impacto en los sistemas de energía

Los armónicos en los sistemas de energía eléctrica se refieren a corrientes o voltajes con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia de potencia fundamental. Por ejemplo, si la frecuencia base es de 60 Hz, el segundo armónico estaría en 120 Hz y el tercero en 180 Hz. Es posible que la electricidad suministrada a una propiedad no siempre sea "limpia" y las propiedades pueden experimentar armónicos. Estos armónicos provienen de cargas no lineales, como los dispositivos electrónicos que consumen corriente en pulsos en lugar de una onda suave.

Este cambio repentino en el flujo de corriente inyecta corrientes armónicas en su sistema de energía, lo que puede causar varios problemas de calidad de la energía. Estos problemas pueden aparecer como caídas y aumentos de voltaje, desequilibrios en el voltaje o la corriente entre las fases eléctricas y efectos de parpadeo causados ​​por la conmutación repetitiva de cargas eléctricas. Puede notar estos problemas a través de señales como luces parpadeantes, transformadores sobrecalentados e interruptores que se disparan con frecuencia.

El estado de los armónicos en su sistema está representado por la Distorsión Armónica Total (THD), una medida de todos los efectos armónicos. Por lo general, se mide hasta el múltiplo 50 de la frecuencia base del sistema de energía, que es de 3 kHz o, según algunas pautas, el múltiplo 40 (2,4 kHz).

La mala calidad de la energía debido a armónicos puede causar varios problemas, tales como:

Mayor consumo de energía que conduce a mayores facturas de instalación y servicios públicos.
Sobrecalentamiento de equipos.
Disminución de la rentabilidad.
Posibles daños a su equipo.
Sobrecalentamiento en conductores neutros y transformadores de distribución.
Disminución de la confiabilidad y vida útil del equipo.
Mayores solicitudes de mantenimiento y tiempo de inactividad.
Mayores costos de electricidad.

Estas frecuencias adicionales distorsionan la onda sinusoidal de CA en un circuito eléctrico y pueden tener consecuencias graves, incluida la reducción de la vida útil de su equipo. Ahora que hemos discutido los efectos de los armónicos en sus sistemas de energía, analicemos cómo los filtros de armónicos pueden ayudar a abordar estos problemas.

Conceptos básicos del filtro armónico activo

Los filtros armónicos activos (AHF) presentan una respuesta moderna al problema de las distorsiones armónicas en los sistemas de energía. Emplean tecnología de punta para detectar y estudiar los armónicos en la red. Luego, una Unidad Central de Procesamiento (CPU) genera una corriente armónica que se opone al espectro medido. Introduce esta corriente contraria en el sistema en tiempo real, neutralizando eficazmente todos los armónicos existentes.

Podemos categorizar los filtros activos en tres tipos, cada uno con sus beneficios únicos:

Filtros activos de derivación:

Estos se conectan en paralelo a la carga y estiman la corriente armónica de la carga. Generan una corriente de compensación que neutraliza la componente armónica.
Serie de filtros activos:

Estos se conectan en serie al sistema de energía e inyectan voltaje que cancela el voltaje armónico en el sistema. Esto asegura que la carga reciba un voltaje estable.
Los principales beneficios de los filtros activos residen en su capacidad para mejorar el factor de potencia. Suministran potencia reactiva tanto capacitiva como inductiva, lo que los convierte en una solución sofisticada para el filtrado de armónicos. Los filtros activos pueden adaptarse a las influencias armónicas cambiantes y filtrar múltiples frecuencias armónicas simultáneamente. Emplean electrónica de potencia sofisticada y algoritmos de control para disminuir dinámicamente la distorsión armónica, inyectando corrientes de compensación en el sistema de energía. Esto da como resultado un suministro de energía más limpio y estable.

Los filtros activos tienen varias ventajas sobre los filtros pasivos:

Pueden erradicar múltiples armónicos simultáneamente.
Se adaptan a los cambios en la frecuencia del sistema eléctrico y al espectro armónico.
No crean problemas de resonancia en el sistema eléctrico, a diferencia de los filtros pasivos.
Generan activamente una corriente de compensación inversa que cancela varios componentes armónicos, mejorando así los parámetros de calidad de la energía, como la regulación de voltaje y el desequilibrio.
Los AHF, también conocidos como filtros de potencia activos (APF), representan una nueva generación de equipos electrónicos de potencia. Emplean dispositivos DSP de alta velocidad.

Suprimen activamente los armónicos y compensan la potencia reactiva. Los AHF son adaptables y pueden responder a una amplia gama de frecuencias armónicas, lo que los convierte en una solución versátil para diversas configuraciones de sistemas de energía. Las fluctuaciones de voltaje y los armónicos pueden provocar perturbaciones en la red y provocar sobrecalentamiento y un aumento de las facturas de energía. Un AHF puede mitigar estos problemas, produciendo un resultado superior al 5 % de distorsión armónica total (THD) en todo el rango de carga, mejorando el factor de potencia y equilibrando la carga en las tres fases si es necesario.

Con su naturaleza adaptativa y tecnología superior, los filtros armónicos activos brindan una solución efectiva a los desafíos que plantean las distorsiones armónicas en los sistemas de energía. Ahora veremos los conceptos básicos de los filtros armónicos pasivos y su comparación con los filtros armónicos activos.

Conceptos básicos del filtro armónico pasivo

Los filtros armónicos pasivos (PHF) funcionan según los principios de la teoría básica de los circuitos eléctricos. Utilizan resistencias, inductores y condensadores para eliminar frecuencias no deseadas. Estos componentes trabajan juntos de diferentes maneras para crear un efecto de filtrado específico.

El éxito de un PHF en la eliminación de armónicos depende en gran medida de su diseño y posición dentro del sistema de energía. El diseño implica elegir los valores correctos de resistencia, inductancia y capacitancia para crear el efecto de filtrado deseado. Para una mejor eliminación de armónicos, debe colocar el filtro cerca de la fuente de armónicos.

El trabajo de un PHF es permitir ciertas frecuencias y bloquear otras. Lo logra utilizando las respuestas únicas de condensadores e inductores a diferentes frecuencias. En los sistemas de energía, los PHF están diseñados para "atrapar" frecuencias armónicas, dejando pasar sólo la frecuencia base. Esto se logra haciendo que la impedancia del filtro sea alta en las frecuencias armónicas y baja en la frecuencia base.

Hay varios tipos de PHF, cada uno con su respuesta única a la frecuencia y la configuración del circuito. Estos incluyen:

Filtros de un solo ajuste
Filtros de doble sintonización
Filtros de paso alto
Aunque los PHF son relativamente simples y rentables, no ofrecen la flexibilidad de los filtros armónicos activos (AHF). Los cambios en el funcionamiento del sistema también pueden afectar su rendimiento.

Los PHF utilizan componentes pasivos como reactores y condensadores, que están sintonizados a una frecuencia específica para filtrar una parte armónica particular y reducir los armónicos resultantes. También compensan la potencia reactiva, mejorando el factor de potencia. Ahora comparémoslos con sus contrapartes activas.

Comparación de eficiencia
Varios factores pueden influir en la eficiencia tanto de los filtros armónicos activos (AHF) como de los filtros armónicos pasivos (PHF), incluidas las frecuencias armónicas específicas en el sistema, las condiciones de carga y el diseño y ubicación de los filtros. Tanto los AHF como los PHF desempeñan un papel crucial en la reducción de armónicos en los sistemas de energía, pero funcionan de manera diferente y ofrecen distintos niveles de eficiencia. Exploremos cómo estas diferencias afectan su eficiencia.

A continuación se presentan algunas diferencias clave entre AHF y PHF:

Los AHF pueden reducir múltiples frecuencias simultáneamente.
Los PHF suelen filtrar armónicos individuales.
Los AHF pueden ajustarse activamente a los cambios en la corriente armónica de la red eléctrica dentro de un rango determinado.
Los PHF solo pueden reducir los armónicos de órdenes fijos (3,5,7) dentro de un cierto rango de frecuencia.
En términos de seguridad, los AHF evitan la sobrecarga cuando se alcanza el límite del filtro activo, a diferencia de los PHF. Además, si un AHF queda incapacitado, no afectará a los motores para los que optimiza la potencia. Esto nos lleva a una consideración importante al comparar los dos.

Por lo tanto, si bien tanto los AHF como los PHF desempeñan sus funciones y ofrecen beneficios, está claro que los AHF ofrecen una eficiencia y seguridad superiores en la gestión de las distorsiones del sistema eléctrico.

Comparación de costos

Decidir entre filtros de armónicos activos (AHF) y filtros de armónicos pasivos (PHF) es vital para su negocio porque tienen diferentes implicaciones de costos. Examinemos sus costos.

A primera vista, los AHF pueden parecer más caros para una aplicación de un solo disco. Sin embargo, su rentabilidad aumenta a medida que aumenta el número de cargas no lineales. Esto sucede porque un AHF puede corregir múltiples cargas, lo que lo convierte en una opción más económica a largo plazo.

Por el contrario, los PHF suelen ser más rentables para aplicaciones con una carga grande, única y no lineal. El gasto de capital de un AHF suele ser mayor que el de un PHF. Pero, si la producción constante es de suma importancia, los AHF son la solución sugerida. A pesar del mayor costo inicial, los AHF pueden reducir significativamente los gastos de energía y garantizar una producción constante, mejorando los ingresos netos de su empresa.

Debe considerar factores como las frecuencias armónicas específicas de su sistema, las condiciones de carga y el diseño y ubicación de los filtros al decidir entre AHF y PHF.

Si bien debe considerar la inversión inicial y los costos de mantenimiento futuros, también es crucial tener en cuenta las necesidades específicas de su sistema de energía al decidir entre AHF y PHF. Cambiemos nuestro enfoque al aspecto de mantenimiento de estos filtros.

Mantenimiento

Tanto los filtros de armónicos activos como los pasivos presentan ventajas y desventajas únicas en cuanto al mantenimiento. Los armónicos externos pueden afectar los filtros pasivos de armónicos (PHF), provocando sobrecalentamiento y planteando desafíos en el tamaño debido a la imprevisibilidad de su impacto.

Algunos PHF modernos, que los técnicos instalan en el lado frío de los subpaneles eléctricos conectados en estrella y en aplicaciones de tierra, son pasivos e inductivos. Estos dispositivos no requieren componentes eléctricos de terceros, lo que elimina la necesidad de mantenimiento.

Los filtros activos de armónicos (AHF), también conocidos como unidades de corrección de armónicos (HCU), ofrecen una solución más sofisticada para gestionar las distorsiones del sistema de energía. A diferencia de los filtros pasivos, los AHF pueden adaptarse y reaccionar a un amplio espectro de frecuencias armónicas. Esta adaptabilidad los convierte en una solución flexible para diversas configuraciones de sistemas de energía.

Un sistema de filtrado de armónicos activo consta de tres partes principales:

- Un módulo que detecta armónicos.
- Un módulo de control
- Un módulo puente inversor

Sin embargo, mantener los AHF no es tan sencillo. Si bien los AHF son generalmente más sofisticados y adaptables que los PHF, su complejidad y la incorporación de electrónica de potencia pueden requerir un mantenimiento más frecuente. La frecuencia específica de este mantenimiento depende en gran medida del modelo de AHF y de las instrucciones del fabricante.

Por otro lado, los filtros pasivos emplean un método más lento conocido como conmutación de contactor. Cualquier cambio en la frecuencia de los filtros pasivos puede alterar el punto de resonancia, disminuyendo el efecto de filtrado armónico.

En términos de costos operativos:

Los filtros de armónicos activos pueden generar costos más altos debido a la necesidad de monitoreo y mantenimiento constantes. Las comprobaciones y ajustes periódicos son cruciales para garantizar que el filtro continúe funcionando de manera óptima a medida que las condiciones del sistema de energía cambian con el tiempo.
La instalación de un filtro pasivo de armónicos en cada variador puede ser un método de compensación menos intrusivo ya que no requiere ningún mantenimiento continuo.
Después de discutir los aspectos de mantenimiento, la siguiente consideración es la adaptabilidad y flexibilidad de estos filtros.