- ¿Qué son los armónicos en el sistema eléctrico?
- ¿Por qué es necesario eliminar armónicos en el sistema de potencia?
- Tipo de filtros de armónicos
- Filtros de armónicos pasivos
- Filtros de armónicos activos
- Cómo seleccionar filtros de armónicos
¿Qué son los armónicos en el sistema eléctrico?
En los sistemas de potencia, los armónicos se definen como múltiplos enteros positivos de la frecuencia fundamental. El armónico es un voltaje o corriente que ocurre en un múltiplo de la frecuencia fundamental. A menudo se lo considera ruido en la línea eléctrica.
Los armónicos en el sistema de potencia se pueden clasificar en dos tipos: armónicos de corriente y armónicos de voltaje.
Los armónicos de corriente inducidos por la carga no lineal, como los VSD (variadores de velocidad). Las cargas no lineales extraen corriente de la línea eléctrica que no tiene una forma de onda sinusoidal perfecta. La forma de onda de la corriente no sinusoidal puede ser una serie compleja de sinusoidal simple que puede oscilar en un número entero, múltiplo de la frecuencia fundamental de la línea eléctrica.
En la mayoría de los casos, los armónicos de voltaje son causados por los armónicos de corriente. El armónico de voltaje se produce debido al voltaje distorsionado producido por el efecto de los armónicos de corriente con la impedancia de la fuente.
La imagen de arriba muestra la forma de onda de la corriente en dificultades a través de la carga no lineal. Aquí, la forma de onda de la corriente distorsionada no sigue la onda sinusoidal. Esto muestra los armónicos actuales en el sistema de potencia.
¿Por qué es necesario eliminar armónicos en el sistema de potencia?
Los armónicos de corriente y voltaje son directamente proporcionales a la transferencia de energía ruidosa a la carga. Varios equipos domésticos y de oficina son responsables de los armónicos en el sistema eléctrico. Los armónicos del sistema de potencia a menudo aumentan la corriente de carga. Varios instrumentos, como las luces fluorescentes en las fábricas o en la casa u oficina, se ven afectados por los armónicos y sufren varios fallos de funcionamiento. Los motores se ven muy afectados por los armónicos del sistema de potencia.
A veces, los armónicos en los sistemas de potencia pueden ser muy peligrosos y aumentar la potencia entregada a los instrumentos, lo que conduce a un aumento de temperatura en la carga y puede acortar la vida útil del instrumento.
Para superar estos armónicos del sistema de energía, es necesario reconstruir la conexión de energía para impulsar cargas no lineales e introducir filtros de armónicos en el sistema de energía.
Tipo de filtros de armónicos
Filtros de armónicos muy efectivos para proteger equipos eléctricos costosos de salidas de potencia distorsionadas debido a armónicos. Existen diferentes tipos de filtros de armónicos disponibles en el mercado eléctrico y electrónico en función de la potencia nominal, la tensión aplicada, monofásica o trifásica y otros parámetros dependientes de la carga.
Sin embargo, hay dos tipos principales de filtros de armónicos disponibles que son los filtros de armónicos pasivos y los filtros de armónicos activos.
La principal diferencia entre estos dos tipos de filtros de armónicos son los componentes utilizados para el diseño del filtro. Los filtros de armónicos pasivos utilizan componentes pasivos simples, principalmente resistencias, inductores y condensadores. Mientras que los filtros de armónicos activos utilizan componentes activos como diferentes tipos de BJT, IGBT, MOSFET y circuitos integrados.
Como los filtros de armónicos son el equipo de seguridad de la línea eléctrica, deben confirmar los estándares de seguridad internacionales como IEEE, EN, AS, BS y la marca UL de los laboratorios de suscriptores.
Además, los filtros de armónicos se pueden diseñar en diferentes órdenes. Como un tercer orden, los filtros armónicos pueden filtrar la frecuencia, que es el tercer múltiplo de la frecuencia fundamental.
Filtros de armónicos pasivos
Los filtros de armónicos pasivos son los más comunes y el filtro de armónicos fácilmente disponible. Es un filtro asequible para suprimir la perturbación armónica en la línea eléctrica.
Como se mencionó anteriormente, los filtros de armónicos pasivos utilizan componentes pasivos estándar, como resistencias, inductores y condensadores. Estos componentes pasivos se utilizan para formar un circuito de tanque. El circuito del tanque está diseñado de una manera especial para que pueda funcionar a la misma frecuencia de resonancia con respecto a los armónicos no deseados. Los filtros de armónicos pasivos bloquean el paso de los armónicos no deseados. El filtro de armónicos pasivo convierte la corriente armónica en calor y protege el dispositivo final o la carga. El filtro se puede sintonizar a una determinada frecuencia que debe eliminarse como armónicos.
Hay principalmente cuatro tipos de filtros armónicos pasivos que se utilizan:
1. Filtro de paso alto
2. Filtro de paso de banda
3. Filtro tipo C y
4. Filtro de serie.
Filtro de paso alto
Los filtros de armónicos pasivos de paso alto se utilizan para eliminar armónicos de orden superior y para tener un control flexible sobre la amplia gama de frecuencias. El diseño básico del filtro de armónicos de paso alto utiliza tres componentes pasivos, resistencia, condensador e inductor.
En la imagen de arriba, podemos ver la construcción básica de un filtro armónico de paso alto pasivo. La construcción muestra la resistencia y el inductor está en conexión en paralelo con un condensador en serie. El filtro produce características de impedancia planas en el rango de alta frecuencia. La alta frecuencia disminuye la pérdida de potencia.
Este tipo de filtros se utiliza principalmente para el filtrado de 5 º / sexta o superior actual orden. A menudo, se combinan diferentes filtros con filtros de armónicos de paso alto para eliminar la pérdida de potencia cuando se utilizan en aplicaciones de bajo orden o baja frecuencia.
La curva de impedancia con la frecuencia se puede mostrar en la siguiente imagen.
Filtro de paso de banda
El filtro de armónicos de paso de banda es un filtro de doble sintonía. El filtro de armónicos de paso de banda consta de dos condensadores, dos inductores y una sola resistencia. También se utiliza para la filtración de armónicos de alto orden. Este filtro funciona con la combinación de resonancia paralela del filtro de paso de banda estándar junto con la resonancia en serie del inductor y el condensador combinados.
En la imagen de arriba, se muestra el esquema básico del filtro de paso de banda. El circuito de filtro tiene dos partes, en la primera parte un condensador C2 y el inductor L2 están conectados en serie, mientras que en la segunda parte una resistencia, un inductor y un condensador están conectados en paralelo. La primera parte y la segunda parte también están conectadas en serie.
Las características de impedancia con la frecuencia se pueden mostrar en el siguiente gráfico.
Filtro tipo C
El filtro tipo C se utiliza para fines de filtración de armónicos de segundo o tercer orden de bajo orden. Los filtros de tipo C tienen una pérdida menor que el paso de banda equivalente o el filtro en serie.
Los filtros de tipo C constan de 4 componentes pasivos: dos condensadores, un inductor y una sola resistencia.
En la imagen de arriba, se muestra la construcción básica del filtro tipo c. Un condensador está conectado en serie a un inductor que de nuevo está conectado en paralelo con la resistencia. La conexión en paralelo de tres componentes se conecta de nuevo en serie con un segundo condensador.
La resistencia suprime la corriente fundamental creada por el inductor y el condensador oscilantes.
La curva de impedancia se muestra en la siguiente imagen:
Filtro de serie
El filtro en serie se denomina filtro pasivo supresor de armónicos sintonizado único. Este filtro tiene las propiedades de construcción más simples. Solo se utilizan en serie tres componentes pasivos: un solo condensador, inductor y resistencia. Este filtro elimina una sola frecuencia.
La construcción de este filtro se puede mostrar en la imagen de abajo, donde 3 componentes pasivos están conectados en serie para formar el filtro armónico en serie sintonizado único.
La característica de impedancia se muestra en la siguiente imagen:
Filtros de armónicos activos
Como se discutió anteriormente, los filtros de armónicos pasivos son buenos para eliminar los armónicos asociados en la línea eléctrica. Sin embargo, el diseño del filtro de armónicos pasivos es realmente complejo y el diseñador debe diseñar los filtros de armónicos pasivos de acuerdo con los requisitos de potencia reactiva de la carga. En tal caso, el diseño del filtro pasivo es muy difícil y conduce a un funcionamiento deficiente del factor de potencia para determinadas condiciones de carga.
En este asunto, los filtros activos son mejores para manejar los armónicos de la línea de alimentación sin las dependencias de la potencia reactiva de la frecuencia fundamental.
Los filtros de armónicos activos utilizan un método excelente en el que el filtro utiliza componentes armónicos de producción propia y los inyecta en la línea de alimentación que cancela los armónicos no deseados.
Hay diferentes tipos de filtros activos disponibles que utilizan diferentes topologías para eliminar los armónicos en la línea de alimentación.
El diseño de filtros armónicos activos más común utiliza las siguientes cosas básicas como
Inversor de fuente de voltaje con varios interruptores de potencia
2.Referencia de muestreo y control de la línea eléctrica
3.Sistema PWM que inyecta pulsos de disparo PWM en el sistema como armónicos.
El filtro Active Harmonic utiliza un tipo diferente de interruptores semiconductores que requieren energía para funcionar.
Cómo seleccionar filtros de armónicos
Determinar el filtro armónico perfecto es bastante complicado. Es necesario identificar la frecuencia armónica a la que deben sintonizarse los filtros. En unos pocos casos, la operación del filtro no cumple su propósito simplemente debido a una sintonización incorrecta en una cierta frecuencia fundamental donde no hay armónicos presentes.
El primer paso importante es identificar el orden de los armónicos y, según el orden de los armónicos, se debe elegir el filtro. Para eliminar la distorsión armónica de frecuencia única, los filtros de armónicos en serie son eficientes, pero en algunos casos es necesario emplear filtros de armónicos de doble sintonía.
Las pérdidas a través de los filtros también tienen que ser compensados, que dependen de la elección de filtro altamente. A veces, para un alto nivel de cargas no lineales, se requieren ambos tipos de filtros de armónicos activos y pasivos.