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 1.- Armónicos.-

Cada vez nos resulta más frecuente localizar una industria, o un edificio destinado a la ocupación de oficinas, donde sus usuarios manifiesten una cierta preocupación en lo referente a como y en cuanto afectan los armónicos a sus equipos e instalaciones.

Si ya de por si nos llegan armónicos como consecuencia de la mala calidad del suministro en la red de distribución eléctrica, el uso cada vez más fehaciente en nuestras instalaciones de aparatos receptores que a su vez deforman la onda de las corrientes que absorben y que por caída de tensión llegan a provocar deformaciones de la onda de tensión en los cuadros generales de distribución, da origen a su vez a un efecto nocivo en el resto de los aparatos receptores que disponemos en la propia instalación como consecuencia de la deformación de las ondas de tensión y corriente citadas anteriormente.

Estas ondas deformadas se descomponen para su análisis en una onda fundamental, a la frecuencia de red, y a un conjunto de ondas cuyas frecuencias son múltiplos de la de la red. A estas últimas las conocemos como armónicas.

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2.- Tipología de las cargas.-En una instalación nos podemos encontrar con:

  • Cargas lineales.
  • Cargas no lineales.

Las cargas lineales son aquellas en las que obtenemos como respuesta a unaseñal de tensión senoidal una corriente también senoidal; por ejemplo: resistencias, motores, transformadores, etc.

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– Las cargas no lineales son aquellas en las que la corriente que absorbe no tiene la misma forma que la tensión que la alimenta. Por ejemplo: alimentaciones conmutadas, motores en el momento del arranque, variadores, etc.

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 Son estas últimas cargas, “las cargas no lineales”, las que pueden contaminar nuestra instalación con la generación de armónicos.

Cuando la presencia de armónicos es importante puede provocar alteraciones en la instalación eléctrica. Estas perturbaciones se pueden clasificar en dos grandes grupos:

  • Efectos a corto plazo: (aumento de la corriente eficaz, disparos intempestivos de las protecciones, vibraciones y ruidos anormales en los cuadros de Baja Tensión, etc.)
  • Efectos a largo plazo (sobrecalentamiento de los conductores, transformadores, alternadores, etc.)

Especial atención merece la compensación de energía reactiva en instalaciones con presencia de armónicos.

 

Generadores de armónicos mas usuales que nos podemos encontrar en una instalación:

Fuentes de alimentación monofásicas:

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 Fundamentalmente en ordenadores (PC’s), que generan armónicos de orden 3, 5 y 7 (principalmente).

Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI’s):

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Generan armónicos del orden 5, 7, 11 y 13 como más significativos. Siendo los más relevantes y/o apreciables el 5 y 7.

Variadores de frecuencia:

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Se comportan de igual modo a los SAI’s.

Resumen: En la mayor parte de los escenarios nos encontramos con la manifiesta presencia de los armónicos de orden: 3, 5, 7, 11 y 13 como más característicos. Siendo los más representativos:

En Industrias: Armónicos 3 y 5

En Edificios de oficinas: Armónicos 5 y 7

 

2.- Filtro de Armónicos.-

Para la compensación de los armónicos se hace uso de elementos de filtraje:

  • Filtros Pasivos
  • Filtros Activos
  • Filtros Mixtos

2. 1.- Filtros Pasivos: (L-C)

Generalmente se utilizan filtros compuestos por bobinas y condensadores en diferentes configuraciones. El más común es el filtro en serie L-C sintonizado a la frecuencia del armónico que queremos compensar.

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Por lo general, nos encontraremos con instalaciones en las que las cargas perturbadoras nos originan un espectro amplio de armónicos, no limitándose a un solo armónico de determinado orden. Con lo que la solución anterior parece no ser la más adecuada, debiendo recurrir a soluciones que nos permitan compensar, dentro de ese amplio espectro, los más significativos mediante filtros sintonizados a sus respectivas frecuencias.

Así mismo los filtros pasivos presentan una serie de inconvenientes que deberemos de considerar a la hora de valorar su aplicación:

La presencia de condensadores en su arquitectura resulta inconveniente en el caso de disponer de elementos que no consumen energía reactiva. Caso de los variadores de frecuencia.

  • Provocan resonancia en la red, que como consecuencia se deriva en la ampliación de aquellos armónicos cuyo orden no se había previsto inicialmente.
  • Pueden producirse sobrecargas en el filtro como consecuencia de su capacidad para absorber corrientes armónicas procedentes de otros puntos de la red.
  • El envejecimiento de sus componentes puede provocar fácilmente  la alteración de la frecuencia de sintonización, y como resultado problemas de sobrecarga o destrucción del propio filtro.

2.2.- Filtros Activos (FA):

Los filtros activos presentan como ventajas frente a los pasivosque:

  • Se adaptan a las condiciones cambiantes de la carga y de la propia red eléctrica
  • Reducen la posibilidad de aparición de resonancias entre la red y el filtro
  • Además de la reducción de armónicos los FA pueden también acometer otras tareas como son la corrección del coseno de φ
  • Permiten equilibrar las corrientes que circulan por cada una de las fases
  • Equilibran las tensiones entre las fases y con el neutro
  • Reducen la corriente que circula por el neutro

Tipos de Filtros Activos:

Dependiendo de cómo se conecta el filtro respecto a la carga, podemos distinguir entre

  • Filtros Activos paralelo
  • Filtros Activos serie
  • Filtros Activos serie-paralelo, o Filtros Activos mixtos

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Desde un punto de vista práctico, cada una de estas topologías, actúa de forma distinta.

Los filtros paralelo actúan básicamente como una fuente de corriente, que tiene como misión contrarrestar los armónicos de corriente, generados por la carga, de forma que la corriente en la red, suma de corrientes de la carga y el filtro, sea senoidal.

Por otro lado los filtros serie se comportan como una fuente de tensión en serie con la propia red, y su principal función es que la tensión en bornes de la carga sea senoidal.

Finalmente los filtros mixtos son la unión de un filtro serie y otro paralelo, con lo que su función es conseguir un consumo de corriente senoidal y una tensión en la carga también senoidal.

2.3.- Filtros Mixtos:

Los filtros pasivos, como anteriormente indicamos, están construidos mediante la asociación de bobinas y condensadores, calculados para la eliminación de armónicos de un cierto orden.

Los filtros activos, en cambio, están constituidos por uno o varios inversores, normalmente de tensión (VSI).

Finalmente los filtros mixtos, están formados por la asociación de filtros pasivos y activos.

La combinación de filtros activos y pasivos permite reducir el tamaño, y por lo tanto el coste de los filtros activos, manteniendo las ventajas que presentan estos últimos frente a los filtros pasivos.

En general las aplicaciones de las distintas estructuras son las siguientes:

Filtros Serie:

a) Reducción de armónicos de tensión en la carga

b) Regulación de la tensión

c) Reducción del Flicker y los microcortes de tensión.

Filtros Paralelo:

a) Reducción de los armónicos de corriente

b) Compensación del factor de potencia

c) Reducción de la corriente por el neutro

3.- Medidas correctoras:

Para evitar, o cuando menos reducir, las perturbaciones sobre unas instalación y sobre los receptores conectados a  la misma, se debe recurrir al empleo de filtros y otras medidas correctoras, que persiguen esencialmente los siguientes objetivos:

  • Evitar, o al menos reducir, la propagación de las corrientes  armónicas a través de la propia instalación; especialmente en aquellos tramos en los que se encuentren receptores sensibles a los armónicos.
  • Evitar que las corrientes armónicas inyectadas en la red pública por receptores perturbadores sobrepasen los valores establecidos por la normativa vigente.

Soluciones:

  • INDIVIDUALES.
  • CENTRALIZADAS.

La solución más idónea en cada caso concreto, se deberá estudiar teniendo en cuenta la configuración de la instalación y las potencias de los receptores que generan armónicos.

Cuando los receptores que generan armónicos son muchos y de pequeña potencia, la solución más económica suele ser establecer una CORRECCIÓN CENTRALIZADA.

Por el contrario, para generadores de armónicos de cierta potencia será más adecuado utilizar una CORRECCIÓN INDIVIDUAL.

Donde conectar el filtro:

  • Corrección Individual:    En la alimentación del receptor.
  • Corrección Centralizada: A la cabecera de la instalación.

4.- ¿Cómo actúa el equipo EƒE como filtro de armónicos?

El equipo EƒE por su configuración se comporta como un filtro activo que actúa por sintonización.

Para explicarlo de forma sencilla y clara, y sin entrar en otras consideraciones más complejas, el equipo EƒE actuando como filtro presenta una “resistencia eléctrica” muy baja para la corriente armónica presente, de tal suerte que la corriente distorsionada en lugar de ir a buscar directamente el suministro (receptores), y como consecuencia de la presencia de esta resistencia de bajo valor, tiene la tendencia a circular por el filtro (Equipo EƒE).

Al circular la corriente por el filtro, este realiza una detección de los armónicos (de tensión y corriente) y a su vez genera “armónicos” compensatorios para eliminar los primarios.

Al ser un filtro por “sintonización”, a diferencia de otros filtros que actúan por “vibración”, no genera calentamiento en las líneas como consecuencia del efecto Joule, con lo cual conseguimos evitar el sobredimensionamiento de los conductores, cortocircuitos por sobre-calentamiento, etc.

5.- Armónicos y Baterías de Compensación de energía reactiva.-

Los condensadores, elementos fundamentales de una batería de compensación de reactiva, son receptores que por sus características intrínsecas influyen en la distorsión armónica de la instalación y, al mismo tiempo, son parte afectada por las consecuencias de las perturbaciones armónicas presentes en la instalación.

Por lo dicho anteriormente,  hoy y cada día más, nos encontramos con que a la hora de compensar la energía reactiva en una instalación deberemos tener en cuenta la presencia de posibles receptores que puedencontaminar la instalación con armónicos: variadores, rectificadores, hornos desoldadura, fluorescentes, etc.

La presencia de una batería de condensadores en una instalación no genera armónicos, sin embargo puede amplificar los armónicos existentes agravando el problema.

Por otro lado, al mismo tiempo es uno de los elementos más sensibles a los armónicos ya que presenta una baja impedancia a frecuencias elevadas y absorbe las corrientes armónicas más fácilmente que otras cargas, reduciéndose considerablemente la vida útil de los condensadores.

En las instalaciones con presencia de armónicos lo que pretenderemos por una parte es que, al instalar una batería de condensadores para la compensación de energía reactiva no se produzca bajo ningún concepto y como consecuencia de la misma la amplificación de los armónicos presentes, y por otra evitar las posibles consecuencias que sobre la propia batería puedan ocasionar los armónicos presentes en la red.

Para ello se recurre al empleo de baterías con filtros de rechazo o de baja sintonización.

Que al tiempo que (las baterías) compensan la energía reactiva, (los filtros) absorben corrientes armónicas, por lo general del 5º armónico.