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Filtros de protección
de armónicos

La presencia de armónicos en las redes eléctricas puede producir grandes sobrecorrientes en los condensadores, así como diversos problemas en muchos otros componentes de la instalación. Si se llega a un punto de resonancia, el resultado puede ser peligroso para toda la instalación. Los filtros de protección de armónicos se usan en redes que tienen una elevada tasa de distorsión armónica, con el propósito de evitar que las corrientes armónicas sobrecarguen los condensadores, desviándolas hacia la red.

Un filtro de protección de armónicos se fabrica conectando condensadores en serie con reactancias, sintonizándolo a una frecuencia en la que no exista generación de armónicos. Habitualmente, en los sistemas trifásicos el primer armónico que aparece es el quinto, por lo que podemos sintonizar el filtro entre la frecuencia fundamental y la del quinto armónico.

En las redes de 50 Hz es muy común usar filtros sintonizados a 189 Hz. Estos reciben el nombre de filtros al 7%, ya que en ellos la potencia de las reactancias es el 7% de la potencia del condensador. Podemos comparar las impedancias de una batería de condensadores y un filtro de protección en la figura 1.

La relación entre el porcentaje de potencia y la frecuencia de resonancia del filtro es (ver figura 1):

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 donde:

freson = Frecuencia de resonancia (Hz)

X = Potencia de la reactancia (kvar) • 100
      Potencia del condensador (kvar)

fn = Frecuencia fundamental (Hz)


Figura 1.


En general, los condensadores conectados en el interior de un filtro deben trabajan a tensiones superiores a la nominal de la red.

Por ejemplo, en la instalación de la figura 2, se requería un banco de 250 kvar 400 V para la compensación de la energía reactiva. Veamos cuáles serán los efectos de la instalación de este banco. Los cálculos están realizados teniendo en cuenta un transformador de alimentación de 800 kVA y otro de distribución de 10 MVA (propiedad de la compañía eléctrica), a fin de poder calcular la tasa de distorsión armónica en el Punto de Acoplamiento Común (PCC).

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Figura 2.

La corriente fundamental de las fuentes de armónicos (convertidores) es de 550 A. La distribución de corrientes armónicas, típica de los rectificadores de seis pulsos, es la siguiente:

La tasa de distorsión armónica en tensión (THDU) en el Punto de Acoplamiento Común (PCC) es mayor del 5%. Este valor es normalmente el máximo aceptado por la mayoría de normas y compañías eléctricas.

La tasa de distorsión armónica en el embarrado es del 26,6%, lo que puede provocar importantes problemas en un gran número de equipos eléctricos como sistemas electrónicos, PLCs y computadores, entre otros.

La tensión máxima en los condensadores, calculada de acuerdo con la norma IEC 831, es de 544 V. Esta tensión es mucho más elevada que la nominal del condensador (400 V) y también es superior a la sobre tensión máxima fijada por IEC (440 V), y producirá una degradación prematura del dieléctrico.

Podemos observar una gran cantidad de corriente del 7º armónico (679 A) que circula a través del banco de condensadores, debido a la resonancia a 350 Hz entre el banco y el transformador. La corriente total eficaz en el condensador es 2,17 veces la corriente nominal. Este nivel de sobrecorriente destruirá el condensador.

Veamos qué sucede si instalamos un filtro de protección del 7%. Supongamos la utilización de un filtro de protección de 250 kvar 400 V y las reactancias adecuadas (un filtro del 7% significa una frecuencia de sintonización de 189 Hz) (ver figura 3).

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Figura 3.


Resultados

El THD en el punto de acoplamiento común está, en este caso, muy por debajo del 5%.

La tasa de distorsión armónica en el embarrado también está por debajo del 5%.

La gran sobrecorriente que circulaba a través del condensador ya no está presente. Ahora es sólo 1,01 veces la corriente nominal.

La amplificación de la corriente del 7º armónico ha desaparecido.

La tensión del condensador a 50 Hz es de 430 V. La tensión máxima, incluyendo los armónicos, es de 445 V.

Nótese que los condensadores trabajan a una tensión mayor que la de la red, es por ello que no se pueden usar condensadores Standard para la construcción de filtros.

Por Juan José Navarro, Product Manager Noja Power, de Comulsa.
comulsa@comulsa.cl
Mayo 2007
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Comentarios acerca de este artículo
Edgardo Rivera Rhona SA (16/04/2015)
En la actualidad los condensadores son para 440 vac permanente, lo cual permite ponerles reactor, los grandes fabricantes entregan valores en mH y Amperios para cada valor de Kvar comercial.
hugo flores calzadilla estudiante (02/07/2008)
"si hay problemas con el séptimo armónico, se sintonizará el filtro a una frecuencia ligeramente inferior (por ejemplo, 345 Hz en vez de 350 Hz correspondiente al séptimo armónico de una fundamental de 50 Hz)"
Esa parte es muy cierta, si se hace a la misma frecuencia del armónico, en este caso a 350 Hz lo único que se hace es provocar un corto, por la resonancia de los componentes.
Es muy importante colocar atención a este punto.
Cristián Guevara Vicuña E³ - Expertos Eficiencia Energética (03/06/2008)
Estimados:

- saludos
- un poco enredado el artículo del Sr. Navarro
- lo que sucede en realidad es que en un filtro armónico, se debe sintonizar sus componentes de forma que resuenen cerca de la componente armónica que se desea disminuir o atenuar. Por ejemplo, si hay problemas con el séptimo armónico, se sintonizará el filtro a una frecuencia ligeramente inferior (por ejemplo, 345 Hz en vez de 350 Hz correspondiente al séptimo armónico de una fundamental de 50 Hz)
- el dimensionamiento de las componentes del filtro se hará en función de la componente armónica que se atenúa, y considerando que, efectivamente, podrá funcionar eventualmente a tensiones mayores que la nominal de la barra. Esto porque se tendrá resonancias entre inductancias y condensadores. El diseñador del filtro debe considerar estas condiciones de funcionamiento.

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