Mitigación de la distorsión armónica: guía práctica para sistemas de energía confiables

La distorsión armónica es uno de esos problemas de calidad de la energía que rara vez se anuncia. Los motores funcionan un poco más calientes, los conductores neutros transportan más corriente de lo esperado, los bancos de condensadores fallan antes de tiempo y los equipos electrónicos se disparan por razones que no son inmediatamente obvias. Cuando alguien pregunta sobre la mitigación de la distorsión armónica, los síntomas suelen haberse estado desarrollando durante meses.

La mitigación rara vez es un producto único o una solución de una sola línea. Es una secuencia de medición, diseño del sistema, selección de equipos y puesta en servicio. La buena noticia es que se comprende bien el problema y la mayoría de las instalaciones pueden volver a estar estables sin reemplazar todo el sistema de distribución.

¿Qué le hace la distorsión armónica a un sistema?

Las cargas no lineales consumen corriente en pulsos cortos en lugar de ondas sinusoidales suaves. Contribuyen los variadores de frecuencia, los rectificadores, los sistemas de alimentación ininterrumpida, los controladores LED, los hornos de arco y muchos tipos de equipos de oficina y fábrica. La forma de onda de corriente resultante contiene frecuencias que son múltiplos de la frecuencia de suministro fundamental. Esas frecuencias adicionales son los armónicos.

La medida más común es la distorsión armónica total o THD. Una cifra alta de THD es una advertencia, pero no es un diagnóstico. El orden de los armónicos, la impedancia del suministro y la ubicación de la carga son importantes. Un problema de quinto armónico se comporta de manera diferente a un problema de ondulación de alta frecuencia y el equipo de mitigación debe coincidir con el espectro real.

Si se deja de lado, la distorsión armónica aumenta las pérdidas del transformador y del cable, calienta los devanados, tensiona el aislamiento, sobrecarga los conductores neutros en sistemas trifásicos de cuatro hilos y puede provocar que fallen los bancos de condensadores. También puede producir disparos molestos del interruptor, medición inexacta y ruido audible. El costo no es sólo la pérdida de energía; es una vida útil reducida del equipo y un tiempo de inactividad inesperado.

Comience con la medición, no con el hardware

Antes de seleccionar un filtro o un reactor, registre el sistema. Un analizador de calidad de energía debe registrar armónicos de voltaje y corriente en el punto de acoplamiento común y en los alimentadores principales que sirven a las cargas no lineales. Si es posible, capture un ciclo de producción completo, incluidos fines de semana y cambios de turno. Los niveles armónicos a menudo cambian con la carga y una lectura puntual única puede ser engañosa.

Utilice la encuesta para identificar los órdenes armónicos dominantes, la corrección del factor de potencia existente, la impedancia del transformador y cualquier riesgo de resonancia. Un banco de condensadores que parece inofensivo en un sistema sinusoidal puede amplificar una corriente armónica y crear una condición de sobretensión grave. Es por eso que la mitigación de la distorsión armónica debería comenzar con un estudio y no con un pedido de catálogo. Para una visión más amplia de los síntomas y las causas, nuestro artículo sobre Problemas de calidad de energía en plantas industriales. recorre los patrones comunes.

Las principales opciones de mitigación y dónde encajan

No existe un mejor método universal. Los filtros pasivos, los reactores, los compensadores activos y las especificaciones mejoradas de los transformadores resuelven cada uno una parte diferente del problema. La siguiente tabla compara las opciones prácticas sin pretender que una fila se aplique a cada sitio.

La mezcla adecuada suele combinar dos o tres compases. Reducir los armónicos en el variador es más económico que limpiarlos en la barra colectora principal, y proteger el banco de capacitores es más barato que reemplazarlo.

Filtros y reactores: haga coincidir el dispositivo con el espectro

Los filtros pasivos siguen siendo un caballo de batalla para cargas industriales estables. Son robustos y rentables cuando se conoce bien el espectro armónico. Los reactores desafinados se utilizan a menudo con bancos de condensadores para evitar resonancias y mantener el banco dentro de sus límites térmicos. Los filtros activos son más flexibles cuando varias cargas se encienden y apagan, pero necesitan un objetivo de control claro y una clasificación de corriente realista.

Para la protección y filtrado del banco de condensadores, el reactor no es un accesorio básico. Su inductancia, linealidad, clase térmica y resistencia a cortocircuitos afectan el rendimiento. Nuestros reactores de serie con núcleo de hierro de tipo seco están construidos para este tipo de tareas y la selección aún comienza con el estudio.

Reactores de la serie de núcleo de hierro de tipo seco CKSC Para protección de bancos de capacitores y funciones de filtrado, este reactor moldeado en resina ofrece múltiples clasificaciones de voltaje y reactancia con bajo nivel de ruido y funcionamiento sin mantenimiento. Ver producto →

Diseño de transformadores para cargas ricas en armónicos.

Los armónicos aumentan las pérdidas por corrientes parásitas y pueden crear puntos calientes que no son visibles en una simple placa de identificación. Un transformador que funciona bien con una carga lineal limpia puede calentarse más de lo esperado cuando se alimenta mediante variadores y rectificadores. Por esa razón, la mitigación de la distorsión armónica debe incluir la especificación del transformador, no sólo el paquete de filtros.

Solicite datos de pérdidas y aumento de temperatura basados ​​en el perfil de carga no lineal real. Verifique si es necesaria una reducción de potencia, confirme la disposición del conductor neutro y considere el crecimiento futuro de la carga. En proyectos industriales y comerciales de interior, los transformadores de tipo seco moldeados con resina epoxi a menudo se eligen por su comportamiento frente al fuego y su bajo mantenimiento. Nuestra gama de fundición epoxi de 800-25000 kVA es parte de la solución de distribución; el estudio armónico aún decide la clasificación y la impedancia finales.

Transformadores de tipo seco fundidos en resina epoxi SC10 Para distribución industrial y comercial en interiores, esta gama de transformadores fundidos sin aceite cubre 800-25000 kVA con descargas parciales bajas y configuraciones de voltaje flexibles. Ver producto →

Para distribución al aire libre o de servicios públicos, los transformadores sumergidos en aceite siguen siendo comunes. Se aplican las mismas reglas: verificar el margen térmico, la corriente del neutro y el efecto del espectro armónico esperado. Un transformador de distribución estándar de bajas pérdidas puede ser una buena opción, pero no se debe esperar que cancele los armónicos por sí solo.

Transformadores de distribución completamente sellados S11/S13/S20/S22 Para distribución industrial y de servicios públicos polvorientos, estos transformadores sumergidos en aceite completamente sellados cubren de 30 a 2500 kVA con tanques corrugados y dispositivos de monitoreo opcionales. Ver producto →

Emparejar la mitigación con la aplicación

Las plantas industriales suelen tener la combinación más compleja: equipos de soldadura, variadores grandes, calentamiento por inducción y corrección del factor de potencia heredada en el mismo bus. en fabricación industrial , la primera prioridad suele ser separar las cargas sensibles de las cargas distorsionantes y evitar la resonancia entre los condensadores y la fuente de alimentación.

Los edificios comerciales y los proyectos de infraestructura tienden a tener muchas cargas electrónicas pequeñas en lugar de un único rectificador grande. Los armónicos pueden ser de menor magnitud pero estar ampliamente distribuidos. En estos casos, el tamaño del neutro, la reducción de potencia del transformador y el filtrado local en grandes variadores de velocidad son más importantes que un filtro pasivo central.

Las conexiones renovables y de servicios públicos aportan su propio perfil. Los inversores solares y los convertidores de baterías pueden inyectar armónicos, y la impedancia de la red en el punto de conexión afecta la forma en que se propagan esos armónicos. Un estudio de armónicos debería ser parte del diseño de interconexión, con especificaciones de filtrado y transformador coordinadas en lugar de agregarlas más tarde.

Una secuencia de selección práctica

1. Mida los armónicos de tensión y corriente existentes en el punto de acoplamiento común y en los alimentadores principales.
2. Identificar los órdenes armónicos dominantes, la capacitancia existente, la impedancia del transformador y las condiciones de resonancia.
3. Reduzca los armónicos en la fuente cuando sea práctico, utilizando inductores de accionamiento, disposiciones de pulsos múltiples o un diseño de rectificador mejorado.
4. Seleccione filtros pasivos, reactores desafinados o filtros activos para la distorsión restante, con clasificaciones basadas en el espectro medido.
5. Verifique la reducción del transformador, la corriente neutra, los ajustes de protección y la coordinación del banco de capacitores.
6. Encargar con un nuevo estudio y confirmar que se cumplen los límites acordados en condiciones de carga reales.

Errores comunes a evitar

• Comprar un filtro antes de medir el espectro armónico y la impedancia de suministro.
• Agregar condensadores de corrección del factor de potencia sin verificar el riesgo de resonancia.
• Tratar la reducción de potencia del transformador como un detalle opcional en lugar de una entrada de diseño.
• Ignorar la corriente neutra en sistemas trifásicos de cuatro hilos con muchas cargas electrónicas.
• Puesta en marcha sin medición posterior en condiciones normales de funcionamiento.

Reuniéndolo

La mitigación de la distorsión armónica funciona mejor cuando se trata como parte del diseño eléctrico, no como un paquete de rescate después de que el equipo comienza a fallar. Primero mida, reduzca la distorsión en la fuente donde pueda, seleccione filtros y reactores para el espectro real y especifique los transformadores para el servicio térmico que verán. Ese enfoque mantiene estable el sistema, protege el equipo y evita gastar dinero en hardware que no soluciona el problema real.

Si está planificando un nuevo sistema de distribución o corrigiendo uno existente, nuestro equipo de ingeniería puede revisar el perfil de carga y ayudar a hacer coincidir los transformadores, reactores y aparamenta con los resultados del estudio. El objetivo no es vender el paquete más grande, sino elegir el conjunto más pequeño de medidas que proporcione una calidad de energía confiable.