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Factor de Potencia, Armónicos y Filtros Armónicas

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Los componentes de la frecuencia para una fuente de alimentación tipo “switch” incluyen el 3rd armónico (180Hz), el 5th armónico (300Hz), el 7th armónico (420Hz), el 9th armónico (450Hz) y este patrón continúa hasta niveles más altos. De hecho, la capacidad para medir armónicos de alta frecuencia es más una limitación del equipo medidor y el efecto de la impedancia de la fuente que la presencia o ausencia de armónicos. La tabla 1 muestra el análisis de Fourier de la forma de onda de la Figura 1. Los armónicos impares son dominantes y bien extendidos en las gamas más altas de frecuencia. La distorsión armónica total (THD) es 122.9%. El armónico impar influye mayoritariamente en la distorsión

Algún armónicos se han  distinguido por ser especialmente dañinos en los sistemas de distribución. Los 3eros armónicos y múltiples de este (p. ej., 9th, 15th, 21o) reciben atención especial porque ellos son los “triplens”  (6n-3). Los “triplens”, en frecuencia - dominio armónico - análisis  de secuencia, retornan a través del neutro. Como se constata donde la corriente de carga retorna a través del neutro con valores superiores a los de fase. Los armónicos de secuencia negativa (p. ej., 5th, 11th, 17th) tienen gran impacto sobre transformadores y motores porque su rotación se opone a la rotación de la fundamental (60Hz componente). 

Las combinaciones de armónicos también tienen impacto. Por ejemplo, el armónicos de voltaje a los 5th y 7th combinados  dentro de motores producen un evento que está en el orden del 6to armónico. El armónico originado ocasiona  una amplia gama de problemas que llevan a elevar la temperatura de motores, vibración y desgaste . El bajo factor de potencia para cargas no lineales ocurre debido a que la corta duración de la corriente eleva los VA sin el correspondiente incremento en los Wats . Como el factor de potencia es igual a los vatios divididos por los voltio-amperios, cualquier aumento en VA sin un aumento correspondiente en los vatios conducirá a un factor de potencia menor.

Como los problemas ocasionados por cargas no lineales llegar a ser cada vez más obvios, compañía de electricidad y MIS de gerentes se encaran con una necesidad disminuir los efectos de cargas no lineales sobre sus instalaciones. Además, algunas compañías eléctricas comienzan a aplicar el estándar IEEE-519 para limitar la magnitud de corrientes armónicas que los usuarios individuales producir hacia la compañía de electricidad. Los filtros armónicos son ofrecidos por vendedores para resolver estas necesidades. Generalmente, los filtros armónicas proveerán una solución, aunque esta no sea la solución para todos los casos. Los ofrecimientos de filtro incluyen reactores en la línea, filtros pasivos, filtros activos, filtros de retroalimentación electrónica y transformadores especiales que usan un devanado fuera de fase para  realizar la reducción las armónicas.

Tipos de filtros de Armónicos

  

Figura 2. Entrada a un reactor en línea

   

Figura 3. Salida de un reactor en línea

 Un reactor en línea, es comúnmente un simple inductor.  La reactancia inductiva del inductor resiste la corriente de armónicos de alta frecuencia. Según la ecuación Xl= 2pfL .  Como la frecuencia aumenta, también lo hace la resistencia.  Las componentes de 60Hz pasan a través del inductor con poca oposición, pero a los componentes de más alta frecuencia les resulta mas difícil pasar.  Por lo que las corrientes armónicas disminuyen cuando un reactor se aplica en la línea. El reactor de línea limita las corrientes armónicas, a expensas de una distorsión en el voltaje.  El voltaje de salida en el reactor de línea mostrará distorsión en su forma de onda y limitará frecuentemente el voltaje pico.  Las figuras 2 y 3 muestran el voltaje y corriente dentro y fuera de un reactor de línea.  

Figura 4. Entrada a un filtro pasivo

 

 

Figura 5. Salida de un filtro pasivo.

Los filtros pasivos, de armónicas, vienen en una amplia variedad.  En algunos casos, ellos no son más que un reactor de línea.  En otros casos, pueden usar filtros resonantes en serie o paralelos (uno solo o ambos simultáneamente) para atrapar o resistir a los armónicos.  Un filtro serie (con la carga en serie) que usa componentes en paralelo  (inductancias y capacitancias en paralelo) se conoce como un “rejector (repelente) de corriente”.  En, o cerca la frecuencia de resonancia del conjunto paralelo, el filtro provee atenuación máxima.  La “Q” del filtro determina el ancho de banda.  Un filtro paralelo (paralelo con la carga) usando componentes en serie (inductancias y capacitancias en serie) es un aceptador de corriente.  En o cerca al punto de resonancia del filtro, este dejará pasar mucha corriente y voltaje armónico  y la resistencia de Corriente Continua (dc) del filtro la soportará.  Cuando se sintonizan adecuadamente con la carga estática, los filtros pasivos se convierten en un  medio efectivo para controlar los armónicos.  Como en el caso de reactores de línea, la distorsión de voltaje de rendimiento puede ser bastante .  Las figuras 4 y 5 muestran el voltaje y corriente dentro y fuera de un filtro pasivo.

 Se debe tener pendiente:  Los filtros armónicas pueden ser bidireccionales.  Esto significa que ellos pueden “hundir” (deformar) tanto la onda hacia la carga como la onda hacia la fuente.  Algunos usuarios de filtros armónicos simples, se han horrorizado al encontrar que sus filtros les están disparando breakers o rompiendo componentes cuando los filtros intentan atrapar armónicos provenientes de la red de distribución. 

 

Figura 6. Entrada a un filtro activo

 

Figura 7. Salida de un filtro activo.

 En la forma más simple, un filtro de armónica activo es un regulador de tipo impulso. El filtro impulsa voltaje a lo largo de cada ciclo medio de Corriente alterna (AC), proveyendo la carga con una forma de onda rectangular.  La onda de voltaje formada  puede completarse con electrónica activa, saturación magnética o ambos.  La forma de onda rectangular de voltaje forza a los rectificadores en la fuente de alimentación a sacar corriente por un intervalo más largo.  Para construir el ciclo correcto (período de conducción de corriente vs el intervalo de voltaje)  y mejorando también el factor de potencia.  Depender del tipo de filtro armónico activo, la distorsión a la salida puede ser mínima o muy pronunciada.  Las figuras 6 y 7 muestran el voltaje y corriente dentro y fuera de un filtro activo.

 Un filtro electrónico de retroalimentación es un dispositivo muy complejo.  Este dispositivo sensa armónicos de voltaje y corriente y genera armónicos compensatorios para cancelar los armónicos indeseables.  Comúnmente, se utiliza un dispositivo de alta de frecuencia con modulación de ancho pulso  (PWM)  para generar las corrientes y voltajes armónicos compensatorios.  Debido a que el filtro sensa constantemente el voltaje y la corriente, los cambios en la condición de la carga pueden ser rápidamente solventados. En virtud del mecanismo de retroalimentación, el filtro electrónico de retroalimentación,  provee muy limpias formas de onda para la carga.  La regulación de voltaje es también una consecuencia normal de la operación de filtro.  Las figuras 8 y 9 muestran el voltaje y la corriente antes y después de pasar por un filtro electrónico retroalimentado.

 Donde las condiciones de carga son constantes, puede usarse transformadores especiales para combinar corrientes de carga.   La “delta-delta /Y” o transformadores de múltiples devanados “Y” proveen corrientes armónicas fuera  de fase adicionales a las armónicas corrientes. Los transformadores requieren condiciones equilibradas de carga.  Con cargas equilibradas, sin embargo, la distorsión armónica en la corriente resultante se reduce significativamente 

Comparación de filtros

 Hay comúnmente un balance comparativo;  la distorsión en el voltaje de salida puede aumentar y su pico puede bajar.  En algunos casos, el vatiaje puede aumentar también. La tabla 2 provee una recapitulación de las características de desempeño para reactores de línea y otros tipos de filtros.  En todos los casos, se utilizaron fuentes de poder monofásicas tipo “switch” al final de la carga.  La carga se varió para proveer una amplitud equivalente a  las especificaciones de carga de filtro. 

 

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