¿Qué es un filtro armónico?

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En el mundo actual, con la amplia aplicación de equipos electrónicos de potencia, los problemas de armónicos se han convertido en uno de los principales desafíos para los sistemas eléctricos. Los filtros de armónicos son una solución eficaz para reducir estas distorsiones. Este artículo ofrece una visión general completa de los filtros de armónicos, incluyendo sus tipos, aplicaciones y sus respectivas ventajas e inconvenientes.

¿Qué son los armónicos? ¿Por qué causan problemas los armónicos?

Los armónicos son esencialmente señales sinusoidales con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental del sistema eléctrico (normalmente 50 o 60 Hz). Estos armónicos se generan principalmente por cargas no lineales, tales como:

• Controlador de motor (convertidor de frecuencia)

• rectificador

• Fuente de alimentación conmutada

• Equipos de soldadura

• Ordenadores y dispositivos electrónicos

Se producen.

Entre los problemas causados ​​por los armónicos se incluyen:

1. Mayor pérdida de calor en los equipos

2. Reducción de la vida útil de los materiales aislantes y los transformadores

3. Generación de ruido en los sistemas de comunicación

4. Fallo del relé de protección

5. En un sistema trifásico, la corriente neutra aumenta.

6. reducción del factor de potencia

¿Qué es un filtro armónico?

Los filtros de armónicos son dispositivos diseñados para reducir o eliminar ciertos armónicos en un sistema eléctrico. Estos filtros suelen estar compuestos por componentes reactivos (inductores y condensadores) y se instalan en el sistema en paralelo o en serie.

Tipos de filtros armónicos

1. Filtro pasivo

Los filtros pasivos son el tipo más común de filtros armónicos, y consisten en una combinación de inductores, condensadores y resistencias.

Tipos de filtros pasivos:

A) Filtro de sintonización simple

• El filtro pasivo más sencillo y más utilizado

• Con el objetivo de eliminar armónicos específicos

• Se utiliza normalmente para armónicos inferiores, como el 5º, 7º, 11º y 13º.

• Estructura simple y coste relativamente bajo

Circuito equivalente:  circuito LC en serie sintonizado a la frecuencia armónica deseada.

B) Filtro de dos sintonizaciones

• Capaz de eliminar dos armónicos diferentes simultáneamente.

• Ocupa menos espacio que dos filtros individuales.

• Menores costos de mantenimiento

• Mayor complejidad del diseño

C) Filtro de paso alto

• Eliminar diversos armónicos de alta frecuencia

• Se suele utilizar para armónicos superiores a 17 grados.

• Diferentes tipos: Nivel 1, Nivel 2 y Nivel 3

d) Filtro tipo C

• Un tipo especial de filtro de paso alto

• Pérdida de baja frecuencia fundamental

• Adecuado para sistemas con oscilación de frecuencia fundamental.

2. Filtro activo

Los filtros activos utilizan tecnología de electrónica de potencia para inyectar armónicos opuestos.

Ventajas de los filtros activos:

• Capaz de eliminar múltiples armónicos simultáneamente.

• Respuesta dinámica y rápida a los cambios de carga

• Independiente de la impedancia del sistema

• capacidad de compensación de potencia reactiva

defecto:

• Alto costo inicial

• El sistema de control es más complejo.

• Se requiere mantenimiento especial

Tipos de filtros activos:

• Filtro activo de derivación

• Filtro activo en serie

• Filtros híbridos (combinación de filtros pasivos y activos)

3. Filtro mezclador

Al combinar filtros pasivos y activos, se pueden aprovechar las ventajas de ambos tipos de filtros.

Directrices de diseño de filtros armónicos

1. Medición del espectro armónico:  Medición y análisis de armónicos en el sistema

2. Cálculo de armónicos de corriente y tensión

3. Selección del tipo de filtro:  basada en el espectro armónico y las especificaciones del sistema.

4. Calcular los parámetros del filtro:  valores de inductores, condensadores y resistencias.

5. Compruebe el efecto del filtro en el sistema:  asegúrese de que no se genere ninguna resonancia en paralelo o en serie.

6. Cálculo de pérdidas del filtro

7. Revisar costos y beneficios

Cálculos básicos de filtros pasivos

Para un filtro único sintonizado a la frecuencia armónica h:

Frecuencia de resonancia:

fr  =  12πLC fr  = 2π  L  C1​ 

Este valor debe ser igual a la frecuencia armónica requerida:

fr = h × f1  fr  ​ =  h  ×  f  1

( $es\; la$frecuencia  fundamental del sistema )

Impedancia del filtro en la frecuencia de resonancia:

Zr=R  Z  r  ​=  R

Factor de calidad (Q):

Q=XLrR=hXLR  Q  =  R  X  L  r  ​​=  R  h  X  L

Ubicación del filtro armónico

1. Lado de la fuente:  Se utiliza para protección de cargas múltiples.

2. Lado de la carga: Eliminar los armónicos generados por  cargas específicas.

3. En el bus principal:  Proteger todo el sistema

Consideraciones prácticas a la hora de instalar filtros

1. Efecto de los filtros en el factor de potencia:  Los filtros pasivos también suelen generar potencia reactiva.

2. Resonancia paralela:  Existe el riesgo de que algunos armónicos se amplifiquen en lugar de eliminarse.

3. Pérdida de potencia en el filtro

4. Efectos sobre las ondas transitorias

5. Se requiere un sistema de protección adicional

Comparación de filtros pasivos y activos

Normas relacionadas con armónicos y filtros

1. IEEE 519-2014:  Norma para el control de armónicos en sistemas de potencia

2. IEC 61000-3-6:  Evaluación de las emisiones armónicas de los sistemas de potencia

3. EN 50160:  Especificación de calidad de la energía para sistemas de distribución

Estudios de caso y ejemplos prácticos

Ejemplo 1: Una planta de fabricación con altas cargas no lineales

Problema:  La temperatura del transformador aumenta, el controlador automático falla.

Solución:  Instalar filtros sintonizados individualmente para los armónicos 5º y 7º, así como un filtro de paso alto.

Resultados:  La distorsión armónica total disminuyó del 25% al ​​5%, y la temperatura del transformador disminuyó en 15°C.

Ejemplo 2: Centros de datos con graves problemas de armónicos

Problema:  El aumento de la corriente neutra provoca fallos frecuentes en el SAI.

Solución:  Instalar un filtro activo en paralelo que pueda compensar los armónicos 3º, 5º y 7º.

Resultados:  La corriente neutra se redujo en un 70%, la vida útil del SAI se prolongó.

Tendencias futuras de desarrollo de la tecnología de filtros armónicos

1. Filtros inteligentes:  Utilizan algoritmos de inteligencia artificial para detectar y eliminar armónicos.

2. Filtros modulares:  la capacidad se puede aumentar por etapas.

3. Integración con sistemas de almacenamiento de energía

4. Filtro multifuncional:  integra compensación de potencia reactiva, balance de fase y filtrado de armónicos.

5. Utilizar materiales superconductores para reducir las pérdidas

en conclusión

El filtrado de armónicos es una solución eficaz para los problemas de distorsión armónica en los sistemas eléctricos actuales . La elección entre filtros pasivos, activos o híbridos depende de diversos factores, como el espectro armónico, el presupuesto, el espacio disponible y los requisitos específicos del sistema. Gracias a los avances tecnológicos, están surgiendo filtros más inteligentes y eficientes, capaces de afrontar los retos cada vez más complejos de los sistemas eléctricos del futuro.

Para diseñar y seleccionar los filtros adecuados, es fundamental realizar un análisis armónico detallado y consultar con expertos en la materia. Invertir en filtros armónicos apropiados no solo mejora la calidad de la energía, sino que también prolonga la vida útil de los equipos, reduce las pérdidas de energía y aumenta la fiabilidad del sistema.