"6 Métodos Para Controlar El Flujo De Corrientes Armónicas Y Disminuir Los Limites De Distorsión Armónica"
La primera técnica para controlar los problemas relacionados con los armónicos en la industria implicó el uso sustancial de filtros de un solo ajuste para ofrecer una ruta de baja impedancia a las corrientes armónicas. Curiosamente, no es difícil encontrar cargas que produzcan armónicos en el rango de MVA en la industria que opere sin filtros de armónicos. Este es un tema difícil de controlar para las empresas eléctricas porque los estándares existentes son a menudo más una guía de referencia para la industria que un pronunciamiento regulatorio.
Armónicos
Los grandes productores de armónicos, típicamente en el sector industrial, pueden ser los únicos productores que adoptan métodos de filtrado de armónicos para reducir las múltiples perturbaciones que podrían surgir más allá del punto de medición y comenzar a afectar equipos y procesos sensibles. Debido al alto costo involucrado, esta no es una práctica común en instalaciones comerciales y residenciales.
Se deja que las corrientes armónicas no filtradas se propaguen libremente hacia arriba y hacia abajo del PCC siguiendo las leyes naturales de propagación. Pueden llegar a instalaciones adyacentes y, a veces, incluso pueden llegar a la subestación de servicios públicos.
Entonces es común ver a las empresas de servicios públicos y a los clientes que producen armónicos en una búsqueda continua de métodos alternativos para manejar y, con suerte, superar los niveles elevados de distorsión armónica.
Por ejemplo, los transformadores de aplicación especial conectados a variadores de frecuencia (VFD) y, por lo tanto, altamente expuestos al sobrecalentamiento de corriente armónica, generalmente se especifican como diseños de transformadores de factor K. Estos tipos especiales de construcciones de transformadores evitan el funcionamiento del transformador por debajo de los valores nominales. Los transformadores de tipo K están diseñados básicamente con devanados mejorados y núcleos de hierro de baja pérdida que reducen la cantidad de calentamiento adicional producido por corrientes armónicas.
Tenga en cuenta que las corrientes armónicas en el lado de la fuente del convertidor no se controlan ni eliminan de ninguna manera en los devanados. Algunas cancelaciones de armónicos pueden tener lugar, por ejemplo, en transformadores de cambio de fase que proporcionan un cambio de 30 ° entre dos convertidores de seis pulsos: uno alimentado desde los devanados secundarios conectados en triángulo y el otro desde los devanados secundarios conectados en estrella del transformador.
Este artículo técnico describe algunas de las técnicas utilizadas en la industria para controlar el flujo de corrientes armónicas producidas por cargas no lineales en sistemas eléctricos. Los más relevantes son los seis siguientes:
1. Reconfiguración de la topología de la red
2. Aumento de la rigidez del modo de suministro
3. Cancelación de armónicos mediante el uso de convertidores multipulso
4. Reactores en serie como elementos atenuadores armónicos
5. Equilibrio de fase
6. Agrupación de carga
1. Reconfiguración de la topología de la red
Tenga en cuenta que las corrientes armónicas en el lado de la fuente del convertidor no se controlan ni eliminan de una medida a menudo ventajosa para reducir el efecto de los armónicos sin filtrar es la reconfiguración de la red. Aquí es necesario identificar a los usuarios y sectores de la instalación que introducen grandes cantidades de corrientes armónicas al sistema y caracterizar su contenido de frecuencia.
Como ocurre a menudo en instalaciones residenciales, la redistribución de cargas utilizando el mismo cableado o mediante circuitos adicionales puede proporcionar una solución económica para reducir drásticamente las perturbaciones.
Sería beneficioso distribuir las cargas no lineales más grandes entre diferentes alimentadores, al igual que equilibrar cargas monofásicas en sistemas trifásicos. Esta medida reduciría las caídas de voltaje excesivas de las corrientes armónicas transportadas a través de una sola ruta.
Si los filtros de armónicos no son una opción a considerar, la mezcla de cargas lineales y no lineales en un alimentador puede permitir la reducción de la distorsión armónica porque las cargas lineales actúan como atenuadores naturales de picos resonantes paralelos. Esta medida no debe contemplarse cuando las cargas lineales comprenden procesos electrónicos o industriales sensibles, que pueden verse interrumpidos si la THD en algún momento aumenta un poco.
2. Aumento de la rigidez del modo de suministro
El aumento de la relación entre la corriente de cortocircuito disponible y la corriente de carga nominal crea un nodo de suministro más fuerte. Esto sucede siempre que las empresas de energía aumentan el tamaño de su subestación. También ocurre cuando los clientes industriales agregan algo de cogeneración en el bus de suministro para ayudar a la operación durante los picos de demanda.
Las fuentes de CA rígidas aumentan la corriente de cortocircuito disponible, por lo que la relación entre las corrientes de cortocircuito y de carga se usa a menudo como una medida de la rigidez de la fuente. Los nodos de suministro fuertes pueden absorber mejor las perturbaciones transitorias en la red y atenuar los efectos de las grandes corrientes de irrupción del transformador, la activación del cable y el arranque de grandes cargas de motor.
Lo mismo se aplica a las corrientes armónicas que llegan a la subestación. La razón de esto es que la impedancia más baja de un suministro rígido produce caídas de voltaje más pequeñas, no solo para el estado estable sino también para las corrientes de mayor frecuencia.
Para el caso de alimentadores cortos, la impedancia de la fuente será el componente dominante. En estas situaciones, es probable que las corrientes armónicas lleguen a la subestación y la caída de voltaje en la impedancia de la fuente y, por lo tanto, la distorsión armónica sea menor en sistemas más rígidos.
3. Cancelación de armónicos mediante el uso de convertidores multi pulso
Los convertidores monofásicos se utilizan en aplicaciones de carga pequeña. Para costos iniciales más bajos, se pueden aplicar rectificadores de media onda cuando los requisitos de corriente son pequeños. La rectificación de media onda produce un componente de CC que satura los transformadores. Para limitar lo primero, se recomienda el uso de convertidores rectificadores de onda completa.
Un convertidor polifásico básico es una unidad de seis pulsos. Teóricamente, la unidad de 12 pulsos que se muestra en la Figura siguiente eliminará los armónicos de orden inferior (5º y 7º), para los cuales los primeros armónicos que aparecerán son el 11º y el 13º. Debido a que el 17 y el 19 no son armónicos característicos, el siguiente par armónico que aparecerá será el 23 y el 25.
Conexiones de transformador de cambio de fase para convertidores
de 12 pulsos
A través de la multiplicación de fase adicional, es posible reducir otras corrientes armónicas. Por ejemplo, una unidad de 24 pulsos se construye a partir de cuatro puentes rectificadores de 6 pulsos, cada uno de los cuales tiene un desplazamiento de fase de 15 ° con respecto a las otras unidades rectificadoras. Esto se logra mediante el uso de transformadores de cambio de fase con devanados adicionales separados conectados en zig-zag o en un polígono, como se ilustra en la Figura siguiente.
Si una unidad de seis pulsos estuviera fuera de servicio, todavía se establecería alguna cancelación con dos de las unidades de seis pulsos 15 ° desfasadas entre sí. Sin embargo, la tercera unidad mostraría todos los armónicos típicos de un convertidor de seis pulsos en el sistema.
Conexiones de transformador de cambio de fase para convertidores
de 24 pulsos
Las condiciones para eliminar armónicos en un rectificador de seis pulsos compuesto por N secciones utilizando el método de multiplicación de fases son las siguientes:
1. Los transformadores involucrados tienen todos las mismas relaciones de transformación y tienen impedancias de fuga similares.
2. La carga se divide en partes iguales entre los convertidores.
3. El ángulo de disparo es el mismo en todos los convertidores.
4. La diferencia de fase entre transformadores es de 60 / N grados eléctricos.
Los armónicos característicos de este esquema de reducción de armónicos se pueden expresar de la siguiente manera:
Donde:
- h es el orden armónico.
- q es igual a 6 × N.
- N es el número de rectificadores de seis pulsos.
- k es un número entero (1, 2, 3,…).
Si dos secciones del rectificador no son iguales, siempre estarán presentes armónicos no característicos en tanto no se cumplan los requisitos anteriores. Usando la ecuación anterior, los convertidores de 12 pulsos producirían la cancelación de todos los armónicos por debajo del 11º y los convertidores de 18 pulsos cancelarían todos los armónicos por debajo del 17º.
4. Reactores en serie como elementos atenuadores armónicos
Los reactores en serie se han utilizado en la industria durante mucho tiempo como una forma de proporcionar cierto control sobre los niveles de corriente de cortocircuito. Los vemos en plantas siderúrgicas o de fundición y en subestaciones eléctricas o conexiones de neutro a tierra de generadores o transformadores de potencia. Los reactores en serie también se utilizan hasta cierto punto como atenuadores de armónicos en aplicaciones industriales.
Normalmente, los reactores de impedancia del 5% instalados en el lado de la fuente de los convertidores de potencia se ven en varias aplicaciones.
Como un dispositivo de almacenamiento de energía que se opone a las variaciones rápidas de la corriente, un reactor en serie proporciona teóricamente una atenuación bidireccional a las corrientes de sobretensión y armónicas generadas a cada lado del mismo. Esto significa atenuación de las corrientes armónicas del convertidor (o cualquier otra carga no lineal) hacia la fuente de CA y de las corrientes armónicas de los clientes adyacentes o de las sobretensiones generadas en el sistema de distribución hacia el convertidor.
Esto parece atractivo como una forma de proporcionar algo de alivio a los tipos de eventos transitorios o subtransitorios en el lado de la línea eléctrica creados durante la conmutación de bancos de condensadores o cables largos o perturbaciones transitorias creadas durante fallas en la línea, además de la atenuación de corrientes armónicas.
5. Equilibrio de fase
Algunas empresas de energía eléctrica utilizan sistemas de distribución de cuatro cables con una estrella primaria con conexión a tierra y transformadores monofásicos que suministran voltaje de fase a tierra a cargas monofásicas, como instalaciones residenciales, alumbrado público municipal, etc. Las variaciones en las cargas monofásicas pueden generar desequilibrios, corrientes en conductores trifásicos, produciendo caídas de tensión disímiles en las tres fases y dando lugar a un desequilibrio de tensión entre fases.
El desequilibrio máximo de voltaje de fase a fase o de fase a tierra puede ser más crítico en el extremo más alejado de un alimentador de distribución, donde el voltaje puede haber experimentado una caída sustancial durante condiciones de carga pesada, particularmente en ausencia de medidas adecuadas de compensación del perfil de voltaje.
Un sistema perfectamente equilibrado es difícil de lograr porque las cargas monofásicas cambian constantemente, produciendo un desequilibrio continuo de voltajes de fase y eventualmente provocando la aparición de armónicos uniformes y no característicos. Lectura sugerida
6. Agrupación de carga
Las redes eléctricas extensas pueden tener cargas no lineales con diferente contenido espectral. Siempre que sea posible, la agrupación de cargas por tipo de espectro de armónicos (por ejemplo, convertidores de 6 pulsos, convertidores de 12 pulsos, dispositivos de tipo arco, iluminación fluorescente, etc.) puede optimizar la instalación, ubicación y dimensionamiento de los filtros de armónicos.
Aunque esta es una tarea difícil de lograr, especialmente cuando tipos de cargas comparables no se encuentran en la misma ubicación, la idea debe considerarse como una forma de reducir la cantidad de filtros de armónicos a instalar.
La agrupación de carga también podría ayudar a reducir la interferencia telefónica al tratar de mantener las líneas telefónicas lo más alejadas posible de los sitios que transportan corrientes armónicas de orden superior.