NOTEBOOK

Técnicas de compensación y filtrado de perturbaciones armónicas

¿Qué son los armónicos?

Las cargas no lineales tales como: rectificadores, inversores, variadores de velocidad, hornos, etc; absorben de la red corrientes periódicas no senoidales. Estas corrientes están formadas por un componente fundamental de frecuencia 50 ó 60 Hz, más una serie de corrientes superpuestas de frecuencias, múltiplos de la fundamental, que denominamos ARMÓNICOS ELÉCTRICOS, que generan costes técnicos y económicos importantes.

El resultado es una deformación de la corriente, y como consecuencia de la tensión, conlleva una serie de efectos secundarios asociados.

Efectos de los armónicos

Los principales efectos de los armónicos de tensión y corriente en un sistema de potencia se pueden citar:

  • La posibilidad de amplificación de algunos armónicos como consecuencia de resonancia serie y paralelo
  • La reducción en el rendimiento de los sistemas de generación, transporte y utilización de la energía
  • El envejecimiento del aislamiento de los componentes de la red y, como consecuencia, la reducción de la energía

Introducción a la compensación y el filtrado de perturbaciones en instalaciones eléctricas

Los nuevos equipos informáticos y eléctricos en general, proporcionan un mayor rendimiento en los procesos y tareas de hoy en día

A cambio internamente estos equipos son más complejos e incorporan componentes como fuentes de alimentación conmutadas, rectificadores u otros elementos, que consumen habitualmente una forma de onda en corriente que no es senoidal, sino que está distorsionada y deformada.

Podemos decir entonces que estos equipos han mejorado nuestra calidad de vida, pero a cambio contaminan más nuestros sistemas eléctricos, haciendo que el comportamiento de estos deje de ser habitual.

Toda  forma  de  onda  periódica  no-sinusoidal  puede  ser  representada  como  la  suma  de  ondas sinusoidales cuyas frecuencias son enteros múltiples de la frecuencia fundamental, que denominamos armónicos.

Descomposición de forma de onda distorsionada

Estos armónicos afectan principalmente a la calidad de onda en tensión, y pueden perturbar de forma negativa a numerosas máquinas y equipos, además de a la propia instalación.

Los armónicos son producidos por cargas no-lineales que absorben corriente no-sinusoidal. Las cargas más comunes que generan armónicos, tanto en entornos industriales como domésticos, son las siguientes:

  • Variadores de velocidad/frecuencia
  • Lámparas de descarga (Vapor de mercurio, de sodio, bajo consumo, fluorescentes, etc.)
  • Rectificadores
  • Convertidores C.A./C.C.
  • Soldadura por arco
  • Hornos de inducción
  • SAI
  • Ordenadores
  • etc.

A su vez, las corrientes armónicas generadas cuándo pasan por cargas lineales generan distorsión de la onda de tensión, que dependerá tanto de la naturaleza de las corrientes armónicas como de la propia red y cargas.

A veces la distorsión armónica no tiene un origen interno de nuestra instalación, sino que notamos sus consecuencias debido a una fuente externa, por ejemplo una instalación vecina que los genera. En el siguiente capítulo veremos cómo medir y conocer el origen de estas perturbaciones, para posteriormente tratarlas adecuadamente.

Los armónicos eléctricos y sus costes

Los armónicos son por tanto perturbaciones, y conllevan costes que no siempre son fáciles de apreciar o valorar. Estos costes se pueden clasificar dentro de dos tipos:

  • Costes técnicos
  • Costes económicos

Los costes técnicos son aquellos que suponen una pérdida de rendimiento de la instalación, como por ejemplo:

  • Pérdida de capacidad en líneas de distribución de energía
  • Sobrecarga de transformadores
  • Sobrecarga de conductores
  • Descalificación de los transformadores
  • Pérdidas por efecto Joule en líneas y máquinas
  • Pérdidas magnéticas en máquinas eléctricas
  • Aumento de fugas

Habitualmente los costes técnicos implican costes económicos, de ahí la importancia de controlar dichos costes técnicos.

Los costes económicos son aquellos que se pueden cuantificar monetariamente, aunque a veces no sean sencillos de calcular. A su vez pueden ser visibles y ocultos:

  • Costes visibles:
  • Mayor consumo eléctrico
  • Puntas de consumo eléctrico
  • Recargo o pago de energía reactiva en la factura eléctrica

Costes ocultos:

  • Pérdidas de distribución
  • Pérdidas de potencia y energía (por efecto Joule y magnéticas)
  • Ampliación de instalaciones
  • Paradas de procesos productivos

Estos costes dependerán del tipo de instalación y de las cargas conectadas.

¿Cómo podemos conocer si sufrimos de estas perturbaciones armónicas? ¿Cómo podemos evitarlas o limitar su impacto negativo? Lo vemos en las siguientes secciones.

Efecto de los armónicos en el sistema de potencia

No todos los problemas de calidad eléctrica en una instalación son imputables a los armónicos eléctricos, pero sí suelen ser de las más habituales e importantes. Como vemos en el siguiente gráfico existen múltiples fuentes de no idealidades en una instalación y red:

Clasificación de las principales no idealidades de una instalación y de la red

Los efectos principales de los armónicos en tensión y corriente en un sistema de potencia suelen ser:

  • La posible amplificación de algunos armónicos debido a una resonancia* en serie o en paralelo
  • La reducción del rendimiento en los sistemas de generación, transporte y utilización de la energía
  • El envejecimiento prematuro del aislamiento de los componentes de la red, y por tanto la reducción de la energía
  • Mal funcionamiento del sistema o de alguno de sus componentes

* La resonancia es un efecto físico en el que varios elementos con unos valores particulares interactúan entre ellos, oscilando y amplificando una frecuencia concreta. Dicha amplificación conlleva un mayor consumo de energía forzando al sistema o algunas de sus partes a trabajar por encima de sus especificaciones. Si la resonancia no se controla puede llevar a la destrucción de parte o la totalidad del sistema.

Principales problemas y efectos que generan los armónicos en los componentes o elementos de una red eléctrica

¿Cómo analizar un problema de armónicos?

En este apartado veremos cómo y con qué equipos realizar un estudio de armónicos. También podremos tener un procedimiento tipo para cuándo nos enfrentamos a una nueva situación. Tras este apartado podremos ver casos reales en los que tras un análisis de un caso de armónicos se deciden acciones correctivas.

Para un correcto análisis de armónicos es necesario disponer de un analizador de redes (analizador portátil AR6AR5L o CIRe3), capaz de medir todas las magnitudes eléctricas de nuestra instalación para su posterior interpretación.

No hay una forma estandarizada para realizar un estudio, pero podemos considerar los siguientes pasos para realizarlo:

  • Identificación previa de los síntomas que pueden existir en la instalación:

El hecho de desconocer la existencia de alguno de los síntomas (marcados como “?”) no exime la instalación de sufrirlos, al contrario, debemos de tener más cuidado y supervisar la instalación, por ejemplo: mediante la monitorización de los parámetros eléctricos de diferentes puntos de la instalación con analizadores de redes fijos y un sistema PowerStudio-SCADA.

Proceso de diagnóstico de la instalación

Identificados ya los síntomas, y tengamos la información de la instalación (ver puntos anteriores), podemos realizar un diagnóstico apropiado y aportar una o varias soluciones de armónicos que sean más acertadas y adaptadas a los síntomas.

Proceso para realizar el estudio

Más concretamente, para hacer el estudio o diagnóstico de armónicos, se deben realizar los pasos que se detallan a continuación:

Ahora sí, tras interpretar los datos medidos, trataremos de reconocer los efectos que producen los armónicos y a partir de ellos, proponer soluciones de mejora de la instalación. Todo ello lo veremos en el capítulo de soluciones para eliminar o mitigar los armónicos.

Normativas aplicables a armónicos eléctricos

Los resultados medidos pueden evaluarse según las siguientes normas, directivas y reglamentos :

  • Directiva 2014/35/UE de Baja Tensión que deroga a la Directiva 2006/95/CE.
  • Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) RD 842/2002
  • REAL DECRETO 1955/2000, de 1 de diciembre, por el que se regulan las actividades de transporte, distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía eléctrica
  • Directiva Europea 2014/30/UE relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de compatibilidad electromagnética y por la que se deroga la Directiva 2004/108/CE
  • Directiva Europea 2014/32/UE de Instrumentos de medida que deroga a la Directiva 2004/22/CE
  • Directiva Europea 2014/33/UE de ascensores que deroga a la Directiva 95/16/CEE
  • Norma UNE-EN 12015 “Compatibilidad electromagnética. Norma de familia de productos para ascensores, escaleras mecánicas y andenes móviles. Emisión”
  • Norma UNE-EN 20460-5-523 “Instalaciones eléctricas de edificios. Parte 5: Selección e instalación de materiales eléctricos. Capítulo 52: Canalizaciones. Sección 523: Corrientes admisibles.”
  • Norma UNE-EN 50160 “Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución”
  • Norma UNE-EN 61642:2000 “Redes industriales de corriente alterna afectadas por armónicos. Empleo de filtros y condensadores a instalar en paralelo”
  • Norma UNE-EN 61800-3 “Accionamientos eléctricos de potencia de velocidad variable. Parte 3: Norma de producto relativa a CEM incluyendo métodos de ensayo específicos”
  • Norma UNE-EN 61000-3-2 “Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3-2: Límites. Límites para las emisiones de corriente armónica (equipos con corriente de entrada <16 A por fase)
  • Norma UNE-EN 61000-3-12 “Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3-12: Límites. Límites para las corrientes armónicas producidas por los equipos conectados a las redes públicas de baja tensión con corriente de entrada >16 A y <75 A por fase
  • Norma UNE-EN 61000-3-4 “Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3-4: Límites. Límites para las corrientes armónicas producidas por los equipos conectados a las redes públicas de baja tensión con corriente de entrada >16 A
  • Norma IEEE 519-1992 “Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power System”
  • Norma G5/4-1 “Managing Harmonics: ENA Engineering Recommendation”

Cómo dimensionar un filtro activo

Los filtros activos son equipos cada vez más frecuentes y necesarios en las instalaciones de hoy en día, debido a la creciente polución en las redes eléctricas (ver artículo de filtros activos).

Para saber qué filtro activo elegir es necesario calcular la corriente nominal del mismo. Para ello es necesario calcular la corriente residual armónica del sistema.

Según los datos de que se dispongan, se pueden usar cuatro métodos para calcular la corriente del filtro, siempre partiendo de las medidas de corrientes armónicas de la instalación, dónde se pueden apreciar las cualidades de la carga, y sobre todo, los armónicos que concretamente deberían ser filtrados.

Métodos de cálculo de la corriente residual armónica

La corriente residual armónica es la diferencia entre la corriente total y la fundamental. El objetivo del filtro activo es eliminar o reducir al máximo esa corriente residual armónica, para que sólo quede la corriente senoidal pura.

Si tenemos por ejemplo las siguientes medidas de corrientes en cada armónico (suponiendo un sistema trifásico equilibrado):

  • I= 910 A
  • I= 164A
  • I= 82 A
  • I11 = 55 A
  • I13 = 55
  • Si THDV=3% hay que aplicar un factor de seguridad de 1,2
  • Si THDV=5% aplicar un factor de seguridad de 1,5
  • Si THDV >5 aplicar 1,8-2

Con todas las corrientes armónicas (excepto la fundamental I1) podemos calcular el valor eficaz (RMS) de armónicos (o corriente residual armónica):

En este ejemplo vemos cómo la corriente residual armónica es de 199 amperios. Si ahora repetimos el cálculo pero incluyendo la corriente fundamental (I1) tenemos:

Por otra parte, con estos valores de corriente armónica y fundamental, el THDI%, referido al valor fundamental (IEC 60050), es como sigue:

Si calculamos directamente  del valor total de IFundamental con el THDI%:

Vemos que finalmente obtenemos el mismo resultado o muy similar. Estamos usando el THDI referido al valor fundamental, porque los estándares actuales lo calculan de esta forma.

Otros métodos de cálculo de la corriente residual armónica

Según dispongamos de unos u otros valores de la instalación, podemos calcular la corriente residual armónica:
Conociendo las corrientes total eficaz y fundamental:

Conociendo la corriente fundamental y la distorsión armónica en corriente %:

Conociendo la corriente eficaz total y la distorsión armónica en corriente %:

Cálculo del filtro

Siguiendo la formula indicada en los manuales de filtros activos de CIRCUTOR para  calcular la corriente nominal:

Siendo SFh el factor de sobrecarga del filtro que es un valor teórico. Sería muy adecuado incrementar todo lo que se pudiera la corriente nominal de los filtros por seguridad, pero los filtros se encarecen mucho al aumentar este concepto, por ello conviene ajustar en lo posible este factor de sobrecarga del filtro.

¿Por qué incrementarlo el valor nominal de la corriente de filtro? Si tienes un transformador con una baja potencia de cortocircuito, la impedancia del Sistema es mayor. Por lo que se está incrementando el valor del voltaje del secundario cuándo se inyecta potencia. Por tanto, la diferencia de potencial entre la tensión de red por √2  y el voltaje en el bus DC (750 Vdc) es mayor, por lo que se necesitan también más amperios para inyectar la potencia adecuada y obtener los mismos resultados.

Un criterio práctico basado en la experiencia para tener el factor de sobrecarga SFh es el siguiente:

  • Si THDV=3% hay que aplicar un factor de seguridad de 1,2
  • Si THDV=5% aplicar un factor de seguridad de 1,5
  • Si THDV >5 aplicar 1,8-2

Pero lo mejor es calcular este factor. Para ello debemos conocer previamente el parámetro llamado relación de cortocircuito RSC, en el punto de conexión de los  convertidores  PCL  (no  a  la  entrada  de  la  instalación).  La  relación  de cortocircuito se define como la relación entre la corriente de cortocircuito de una red (ISC) y la corriente nominal del conjunto de convertidores no lineales (ICNL) que generan los armónicos que se pretenden filtrar.

En una instalación real, se puede valorar la corriente de cortocircuito (ISC ) en el PCL teniendo la tensión en dicho punto para dos corrientes de carga distintas. Por ejemplo plena carga (IA) y 10% de carga (IB). Si VOC  es la tensión nominal en vacío, la ISC , se puede calcular mediante la fórmula:

El  Factor  de  seguridad  (FSh )  lo  podemos  obtener  a  partir  de  la  gráfica siguiente:

Ejemplo

Sea la misma instalación, con un transformador de 630 KVA y una potencia de cortocircuito del 6%.

Así, la potencia de cortocircuito es:

La potencia en los convertidores es de 189 KVA

Aplicando la fórmula del manual:

Aplicando la fórmula anterior de FSh tenemos:

Así, finalmente el valor del filtro debe ser:

Finalmente, además de un correcto dimensionado del filtro activo, conviene elegir el filtro activo que se adapte mejor a la instalación, y con el sistema de control más conveniente, que se puede apreciar en el artículo asociado “Filtros Activos: la calidad de red más versátil”.

Filtros Activos: la calidad de red más versátil

Los filtros activos son equipos cada vez más frecuentes y necesarios en las instalaciones de hoy en día, debido a la creciente polución en las redes eléctricas (ver artículo de filtros activos).

Para saber qué filtro activo elegir es necesario calcular la corriente nominal del mismo. Para ello es necesario calcular la corriente residual armónica del sistema.

Según los datos de que se dispongan, se pueden usar cuatro métodos para calcular la corriente del filtro, siempre partiendo de las medidas de corrientes armónicas de la instalación, dónde se pueden apreciar las cualidades de la carga, y sobre todo, los armónicos que concretamente deberían ser filtrados.

Las cargas domésticas e industriales contienen cada vez más circuitos electrónicos que se alimentan de corriente que no es senoidal pura. Así por ejemplo, los motores utilizan cada vez más la regulación de frecuencia, que requiere un paso de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) y luego de CC a CA. Dado que el suministro habitual es en CA, esto implica un uso cada vez más intensivo de convertidores electrónicos (rectificadores, onduladores, etc.) para realizar estas transformaciones CC-CA y CA-CC. Lo mismo sucede con cargas tan habituales como ordenadores, alumbrado LED y de descarga, ascensores…

Desde el punto de vista de la red eléctrica, esto se traduce en que ésta debe alimentar un gran número de cargas que rectifican la corriente y por ello, la forma de onda de la corriente que consumen resulta alterada, de forma que ya no es una onda senoidal, sino una superposición de ondas senoidales con frecuencias múltiplos de la frecuencia de red (armónicos). Las figuras 1 y 2 muestran el consumo típico de una red con rectificadores monofásicos y otra con rectificadores trifásicos. Este tipo de corrientes son las más abundantes en instalaciones como oficinas, centros comerciales, hospitales… y están formadas por una componente de 50 ó 60Hz (frecuencia fundamental de la red) y una serie de componentes de frecuencias múltiplos en distintos porcentajes. Estos porcentajes pueden medirse mediante un analizador de armónicos, así como la tasa de distorsión total, THD, que da la relación entre el valor eficaz del rizado y el eficaz de la componente fundamental.

 a) Red monofásica

 b) Red trifásica

Fig. 1 .- Formas de onda típicas de redes distorsionadas

La consecuencia de los consumos no senoidales es que la tensión sufre también una cierta distorsión, debido a las caídas de tensión en las impedancias de líneas y transformadores. En los registros puede observarse una leve distorsión de la tensión en la red monofásica (THD bajo) y una distorsión más fuerte en el ejemplo trifásico. En ambos casos la corriente tiene formas muy distintas de la senoidal con valores de THD más altos.

Para regular el tema y limitar los niveles de distorsión de tensión en los puntos de enlace de los abonados a la red pública, existen una serie de normas internacionales que establecen límites de emisión de armónicos para los equipos y sistemas que deban conectarse a la red (Tabla 1), las más importantes son las y la relativa a niveles de compatibilidad:

Tabla 1.- Normas internacionales sobre límites de emisión de armónicos

Norma Descripción 
 IEC-61000-2-2 Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 2-2: Entorno. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de suministro público en baja tensión.
 IEC-61000-2-4 Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 2-4: Entorno. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia en las instalaciones industriales.
 IEC-61000-3-2 Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3-2: Límites. Límites para las emisiones de corriente armónica (equipos con corriente de entrada <= 16 A por fase)
IEC-61000-3-4 Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3-4: Límites. Limitación de las emisiones de corrientes armónicas en las redes de baja tensión para equipos con corriente asignada superior a 16 A.
IEC-61000-3-12 Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3-12: Límites para las corrientes armónicas producidas por los equipos conectados a las redes públicas de baja tensión con corriente de entrada > 16 A y <= 75 A por fase.
IEEE-519-2014 IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems
G5/4-1

Algunos conceptos clave sobre armónicos

Podemos comprender mejor los problemas de armónicos basándonos en algunos conceptos básicos, que han sido publicados en numerosos artículos y libros y que resumimos a continuación:

  1. El origen de los problemas de armónicos son los receptores que consumen corrientes distorsionadas (receptores denominados «no lineales«)
  2. La propagación del problema a otros usuarios conectados a la misma red depende de la impedancia de dicha red y esto depende de la compañía distribuidora. Esta impedancia no suele darse directamente, pero puede calcularse a partir de la potencia de cortocircuito disponible (a más potencia de cortocircuito menor impedancia),
  3. El propio usuario tiene una parte de la red de distribución hasta llegar a la carga final. Así pues el problema que pueda tener a la entrada de su instalación puede ser atribuido a falta de potencia de cortocircuito, pero en muchos casos el problema que pueda tener en puntos alejados de la acometida, suele ser a causa de las impedancias de su propia instalación
  4. Abundando en el tema de la distorsión en puntos alejados de la acometida, hay que tener en cuenta que la impedancia de las líneas tiene una componente inductiva muy importante. Por tanto no se trata muchas veces de distribuir con cables de sección muy grande, sino de limitar la inductancia por metro de los cables, y esto se consigue trenzando y retorciendo los cables de distribución (algo muchas veces rechazado por los instaladores por la falta de estética que representa)
  5. El problema de distorsión de la tensión en el punto PCC puede agravarse debido a resonancias entre los condensadores de compensación del factor de potencia y la inductancia de la red de distribución (transformadores y líneas)
  6. Las medidas correctoras (filtros) deben instalarse lo más próximas posible a las cargas generadoras de los armónicos.

En resumen, la solución del problema de armónicos es una solución a dos bandas: Por un lado el usuario debe limitar la cantidad de corrientes armónicas que generan sus receptores y debe procurar distribuir dentro de su planta con baja impedancia por metro de línea. Por otro lado la compañía distribuidora debe garantizar un mínimo de potencia de cortocircuito y debe velar para que los usuarios no superen ciertos límites de distorsión, para que no perjudiquen a sus vecinos que comparten con ellos la red.

Cuando los niveles de armónicos generados por algunos receptores no son admisibles para el sistema de distribución que los alimenta deben aplicarse filtros de corrección. En este artículo vamos a centrarnos y desarrollar el tema de filtrado.

Límites de compatibilidad por armónicos

La presencia de armónicos en la red tiene varias consecuencias. Las más importantes son las siguientes.

  1. Deterioro de la calidad de la onda de tensión, afectando a algunos receptores sensibles.
  2. Sobrecarga y posible resonancia paralelo entre la inductancia de línea y los condensadores de compensación de factor de potencia (FP)
  3. Empeoramiento de factor de potencia. La capacidad de la red para suministrar potencia se ve disminuida por ello, obligando a su sobredimensionamiento.
  4. Sobrecarga de cables y sobre todo de transformadores (aumento muy significativo de las pérdidas en el hierro)
  5. Problemas de disparo intempestivo de protecciones

Para evitar estos fenómenos, las normas establecen un mínimo de calidad de suministro, que se fija limitando los niveles máximos de distorsión en la onda de tensión suministrada en el punto de acoplo a la red pública (PCC). Estos límites se denominan límites de compatibilidad. La tabla 1 ofrece un resumen de dichos límites, por lo que se refiere a armónicos en redes industriales de BT. Las distintas clases mencionadas en dicha tabla corresponden a:

  • Clase 1: Entorno industrial previsto para alimentación de equipos electrónicos sensibles
  • Clase 2: Entorno industrial normal. Límites habituales para redes públicas
  • Clase 3: Entorno industrial degradado (generalmente por la presencia de convertidores). No apto para alimentación de equipos sensibles.

Tabla 2.- Límites de compatibilidad: Armónicos de tensión (Un%) en redes industriales de BT (IEC-61000-2-4)

Límites de compatibilidad por armónicos

La presencia de armónicos en la red tiene varias consecuencias. Las más importantes son las siguientes.

  1. Deterioro de la calidad de la onda de tensión, afectando a algunos receptores sensibles.
  2. Sobrecarga y posible resonancia paralelo entre la inductancia de línea y los condensadores de compensación de factor de potencia (FP)
  3. Empeoramiento de factor de potencia. La capacidad de la red para suministrar potencia se ve disminuida por ello, obligando a su sobredimensionamiento.
  4. Sobrecarga de cables y sobre todo de transformadores (aumento muy significativo de las pérdidas en el hierro)
  5. Problemas de disparo intempestivo de protecciones

Para evitar estos fenómenos, las normas establecen un mínimo de calidad de suministro, que se fija limitando los niveles máximos de distorsión en la onda de tensión suministrada en el punto de acoplo a la red pública (PCC). Estos límites se denominan límites de compatibilidad. La tabla 1 ofrece un resumen de dichos límites, por lo que se refiere a armónicos en redes industriales de BT. Las distintas clases mencionadas en dicha tabla corresponden a:

  • Clase 1: Entorno industrial previsto para alimentación de equipos electrónicos sensibles
  • Clase 2: Entorno industrial normal. Límites habituales para redes públicas
  • Clase 3: Entorno industrial degradado (generalmente por la presencia de convertidores). No apto para alimentación de equipos sensibles.

Tabla 2.- Límites de compatibilidad: Armónicos de tensión (Un%) en redes industriales de BT (IEC-61000-2-4)

Orden del armónico
h

Clase 1
Un% 

Clase 2
Un% 

Clase 3
Un%

2 2 2 3
3 3 5 6
4 1 1 1,5
5 3 6 8
6 0,5 0,5 1
7 3 5 7
8 0,5 0,5 1
9 1,5 1,5 2,5
10 0,5 0,5 1
>10 mult. de 2 0,2 0,2 1
11 3 3,5 5
13 3 3 4,5
15 0,3 0,3 2
17 2 2 4
19 1,5 1,5 4
21 0,2 0,2 1,75
>21 mult de 3 0,2 0,2 1
23 1,5 1,5 3,5
25 1,5 1,5 3,5
>25 no mult de 2 ni 3 0,2+12,5/h 0,2+12,5/h 5x√11/h
THD(V) 5% 8% 10%

Los armónicos de tensión se deben a la caída de tensión que producen los armónicos de corriente sobre las impedancias de la red de distribución. Este hecho se ilustra en la fig. 2. Así pues, el alcanzar estos límites depende de dos factores:

  1. Nivel de emisión de los receptores: A mayor emisión , mayor distorsión debida a la caída de tensión producida por las corrientes armónicas en la red
  2. Impedancia de la red: A mayor impedancia, mayor caída de tensión para el mismo valor de emisión en los receptores

La tabla 3 da los valores límites de emisión en redes de baja tensión, fijados por la norma EN-IEC-61000-3-4 para acometidas en las que la potencia instalada en elementos perturbadores no supere el valor (33xScc), donde Scc es la potencia de cortocircuito que corresponda a esta acometida (Parte proporcional de la potencia de cortocircuito total que corresponda a la potencia contratada).

Fig.2  Esquema unifilar mostrando el deterioro de la onda de tensión debido a cargas no lineales

Tabla 3.- Límites de emisión para Sequipo< 33x Scc (EN-IEC-61000-3-4)

Armónico h Corriente admisible
In/I1%
Armónico h Corriente admisible
In/I1%
3  21,6 21 ≤ 0,6
5 10,7 23 0,9
7 7,2 25 0,8
9 3,8 27 ≤ 0,6
11 3,1 29 0,7
13 2 31 0,7
15 0,7 ≤ 33 ≤ 0,6
17 1,2
19 1,1 Pares ≤ 8/n ó 0,6

¿En qué instalaciones se necesitan los filtros activos?

Algunos de los problemas de perturbaciones que hemos indicado anteriormente pueden ser mitigados y corregidos mediante filtros. Los filtros activos son la solución ideal para instalaciones con gran cantidad de cargas monofásicas y trifásicas, que sean generadoras de armónicos y con diferentes regímenes de consumo.

Los filtros activos son equipos basados en convertidores con modulación de ancho de pulso PWM. Pueden distinguirse dos tipos: Filtros serie y filtros paralelo. Habitualmente para cumplir con las normas IEC-61000-3.4 y IEEE-519 se emplean filtros paralelo, cuyo principio de funcionamiento consiste en la inyección a la red, en contrafase, de los armónicos consumidos por la carga, mediante un ondulador. La fig. 9 ilustra este principio de funcionamiento mostrando las corrientes de carga, de filtro y de red. Se ve que de la suma de ICARGA + IFILTRO se obtiene una corriente IRED que es senoidal. La fig. 10 muestra un filtro activo paralelo y su esquema de principio.

La evolución hacia equipos completos para garantizar la durabilidad

Los equipos de filtrado han ido incorporando funciones complementarias para adaptarse a las modificaciones en las instalaciones, ya sean ampliaciones o cambios de las máquinas que puedan precisar más filtrado de determinados armónicos o un equilibrado entre fases. Suele ser también útil disponer de una compensación de energía reactiva en estos equipos.

Fig. 10.- Gracias a las comunicaciones los filtros activos AFQ ayudan a mejorar la gestión energética

Fig. 11.- Los filtros activos AFQ permiten priorizar las funciones de que disponen aportando mayor flexibilidad

Por ello los filtros activos AFQ de CIRCUTOR incorporan:

  • Multirango en tensiones de funcionamiento, de 400, 440 y 480V, y multifrecuencia (50/60 Hz). 230, 280V bajo pedido.
  • Comunicaciones para una mejor gestión energética de la instalación (Fig. 10).
  • Conexionado en el lado de red o de la carga para una mayor flexibilidad de instalación.
  • Ajuste de prioridad para filtrar armónicos, compensar reactiva y equilibrar fases (Fig. 11).
  • Filtrado selectivo de determinados armónicos.

Conclusiones

La presencia de armónicos en las redes de distribución es cada vez mayor, causando una serie de problemas de deterioro de la calidad de la onda de tensión, haciendo necesario un sobredimensionamiento de las instalaciones y ocasionando pérdidas adicionales significativas. Al margen de que existen normas que limitan el consumo de dichos armónicos, resulta conveniente el filtrado de dichos armónicos, pues permite optimizar las secciones de cable, las potencias de los transformadores de distribución y reducir las pérdidas en las instalaciones y evitar pérdidas de producción.

La solución del problema pasa por un diseño global y racional de filtros de armónicos, como los filtros activos, lo cual permite solucionar el problema con unos costes razonables y fácilmente amortizables por el ahorro en pérdidas, mejora de la vida de algunos componentes de las instalaciones y optimización de la infraestructura de distribución (cables canalizaciones, transformadores, etc.)

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