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ARMÓNICOS
Un impedimento para el ahorro de energía eficiente

En la búsqueda de una mayor eficiencia energética, se emplean sistemas y equipos eléctricos que generan distorsiones de corriente armónica, las que pueden provocar serios problemas en las redes eléctricas. En estos casos, la instalación de un filtro activo es la mejor solución.

Por la creciente mejora en el estándar de calidad de vida de las personas en los países desarrollados, se espera que la demanda de energía global aumente casi hasta el 25% en los próximos 20 años. Este escenario hace imprescindible que las nuevas fuentes de generación de energía se basen, en gran parte, en iniciativas de energías renovables, de su conservación y en ahorro.

Un método que genera grandes ahorros de energía es controlar la velocidad de los motores en, por ejemplo, instalaciones HVAC o de bombas de agua, ya que se puede ahorrar hasta el 50% de energía y, por ello, parece natural la proliferación de convertidores de frecuencia de velocidad variable. Asimismo, el mayor uso de luces fluorescentes es un modo práctico de ahorrar enormes cantidades de energía.

Lamentablemente, la mayoría de los equipos eléctricos que ahorran energía van acompañados del efecto colateral del consumo de corriente no sinusoidal, conocida como distorsión de corriente armónica, que es, por tanto, un problema creciente.


Armónicos: un obstáculo

Los armónicos son un subproducto de los modernos equipos de control de electrónica de potencia. Por ejemplo, todos los convertidores de frecuencia generan armónicos. Las corrientes armónicas se traducen en:

Más consumo de potencia.

Más pérdidas del sistema.

Estrés de los equipos.

Más corrientes de resonancia en la red.

El problema de la corriente distorsionada, es que afecta a la forma de onda de tensión, lo que provoca la distorsión en la fuente. Si la red de potencia está dañada por distorsión armónica, todos los equipos suministrados desde la red funcionan en condiciones no ideales y se desvía de su conducta ideal, provocando:

Limitaciones en el suministro y en la utilización de la red.

Desgaste prematuro de los equipos.

Pérdidas más elevadas.

Pulsaciones en el eje de los motores.

Paradas de producción.

Incremento de las EMC.

En otras palabras, los armónicos reducen la fiabilidad, aumentan el tiempo de inactividad, afectan la calidad de la producción, aumentan los costes de funcionamiento y provocan una menor productividad.


El efecto de los armónicos

Las corrientes armónicas generadas por cargas no lineales (como los convertidores de frecuencia) avanzan hacia la fuente de impedancia más baja. Sin un filtrado efectivo, esta suele ser en la dirección del transformador o generador de la fuente de alimentación.

Este último experimentará corrientes parásitas y pérdidas, que a su vez causarán un aumento del calentamiento y una menor eficiencia del sistema dentro de la instalación. Las pérdidas adicionales reducen la capacidad de carga del suministro y se traducen en la deformación o distorsión de la tensión, respecto de la forma ideal de onda sinusoidal. La forma de onda de la tensión deformada aumenta las pérdidas en otras cargas conectadas en línea como motores directos en línea, conmutadores, convertidores de frecuencia, etc.

Normalmente, un aumento de 10°C de temperatura por encima de la temperatura nominal puede reducir la vida de la instalación en hasta el 50%. Los análisis muestran que los incrementos de temperatura ocasionados por la distorsión de armónicos suelen hallarse en el rango de 2-5°C, dependiendo del orden de los armónicos y de las amplitudes individuales. El efecto colateral más común de la distorsión armónica no es, por tanto, tan obvio, sino que se trata más bien, de un deterioro durante la vida de los equipos. En casos extremos, la distorsión armónica provocará un funcionamiento errático de los equipos de control, desconexiones y rotura de los mismos.

Con la adopción general de la conmutación rápida de semiconductores, la distorsión armónica deja de ser un problema regional o local, para convertirse en un asunto global en casi todos los sectores. Sin embargo, algunas áreas están más expuestas a la distorsión armónica que otras, debido a las condiciones de la fuente de alimentación y a la sensibilidad de otros equipos, como, por ejemplo, los aeropuertos y hospitales.


Control directo de armónicos: para una compensación instantánea
Figura 1.
Figura 2.
Figura 3.

Filtro de armónicos de tipo activo, trabaja del mismo modo que en los auriculares, cancelando los ruidos o sonidos extraños. Empleando transformadores de corriente externa, el filtro activo supervisa la corriente de suministro incluyendo cualquier distorsión. A partir de esta señal, el sistema de control identifica la compensación necesaria y crea un patrón de conmutación. Esto crea una ruta de impedancia baja en el filtro y los armónicos fluyen hacia el filtro en lugar de dirigirse hacia la dirección de la fuente de alimentación.

El algoritmo de control mejora la compensación de los armónicos de orden alto y también se traduce en una mejor capacidad de amortiguación, lo que implica que el filtro activo en modo de compensación total, es casi suficiente para reducir el parpadeo y actuar como amortiguación de la resonancia de red, asegurando mayor tiempo de actividad (ver Figura 1).

Consecuentemente, el filtro garantiza una supresión armónica óptima independiente del número de cargas y de su perfil de carga individual. Además, el filtro activo corrige el factor de potencia y equilibra la carga de fase proporcionando un uso óptimo de la energía (ver Figura 2). Pueden compensar los convertidores de frecuencia en forma individual o pueden instalarse como solución compacta e independiente en un punto común de acoplamiento, compensando diversas cargas simultáneamente (ver Figura 3). Esto mejora el rendimiento del sistema e incrementa la resistencia de la red para evitar los tiempos de inactividad.


Por Luis Torrealba, SBA Industry Coordinator de Danfoss Chile. www.danfoss.cl
Marzo 2015
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