Filtrado de Armónicos Eléctricos
El filtrado de armónicos constituye actualmente un aspecto fundamental dentro de la ingeniería eléctrica. Su importancia es particularmente relevante en instalaciones donde la calidad del suministro energético resulta determinante para el proceso productivo.
Los armónicos alteran la pureza de la onda sinusoidal, provocando efectos perjudiciales en los elementos de la instalación.
Por ello, implementar técnicas efectivas de filtrado es esencial para garantizar un funcionamiento eficiente y seguro de los sistemas eléctricos.
Existen diferentes métodos y dispositivos para mitigar los armónicos, desde filtros pasivos hasta soluciones activas más avanzadas. Cada uno tiene sus ventajas y limitaciones según la aplicación. La correcta selección y diseño de estos filtros requiere un profundo entendimiento de la naturaleza de los armónicos presentes en la red.
En este sentido, el estudio detallado del cálculo de armónicos se convierte en una herramienta indispensable para ingenieros y técnicos que buscan optimizar la calidad de la energía y prolongar la vida útil de los equipos eléctricos.
Contenidos
Ubicación de los Filtros de Armónicos Eléctricos
La selección del punto de instalación de filtros de armónicos depende directamente del objetivo prioritario que se busque alcanzar.
No existe una solución universal, sino que la estrategia de filtrado debe adaptarse a cada caso. Se puede optar por proteger la instalación completa, grupos seleccionados de cargas o equipos individuales especialmente críticos.
Filtrado de Armónicos en el Cuadro General (PCC)
El filtrado de armónicos eléctricos en el punto de acoplamiento común (PCC) es una estrategia centralizada. Al instalar un filtro en la acometida principal, se actúa sobre toda la corriente que la instalación demanda de la red.
El objetivo primordial es cumplir con las normativas impuestas por la compañía eléctrica, como la norma IEEE 519, que establecen límites para la distorsión que se puede inyectar en el sistema de distribución público.
Esta solución es ideal para instalaciones con múltiples cargas no lineales distribuidas, ya que un solo filtro de gran capacidad puede mitigar la distorsión global, evitando multas y problemas para otros usuarios.
No obstante, no soluciona el problema de las pérdidas y el sobrecalentamiento dentro de la propia instalación. Esto es así, porque la corriente armónica aún circulará entre las cargas y el punto de filtrado.
Filtrado de Armónicos en Cuadros Secundarios (Cuadros de Distribución)
Esta estrategia es más granular y se aplica en los cuadros de distribución que alimentan a grupos específicos de cargas no lineales.
El objetivo es mejorar la calidad de la energía en una sub-sección de la instalación. Al reducir la corriente armónica en los alimentadores secundarios, se disminuye el sobrecalentamiento en los cables y transformadores que están "aguas abajo" del filtro.
Esta aproximación es más escalable que el filtrado de armónicos individual, ya que un solo filtro puede proteger a múltiples cargas. Se utiliza comúnmente en plantas industriales donde la distorsión es generada por una familia de equipos. Por ejemplo, para un conjunto de variadores de velocidad o para soldadoras en una misma zona de producción.
Filtrado de Armónicos Individual (en la Fuente de Distorsión)
El filtrado individual es la estrategia más precisa y efectiva para atenuar la distorsión directamente en su origen. Un filtro se instala junto a cada carga no lineal significativa, como un variador de velocidad, una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) o un horno de inducción.
Esta solución ofrece la máxima protección para el resto del sistema, ya que la corriente armónica se neutraliza antes de que tenga la oportunidad de propagarse. Las principales ventajas son:
– Protección del sistema: reduce las pérdidas en los cables y transformadores de toda la red, ya que la corriente armónica no circula más allá del filtro.
– Flexibilidad y escalabilidad: cada carga no lineal puede ser equipada con su propio filtro, lo que permite adaptar el sistema a futuras ampliaciones sin comprometer la calidad de la energía existente.
– Eficiencia máxima: al mitigar los armónicos en el punto donde se generan, se optimiza el uso de la energía en toda la instalación.
Tipos de Filtros de Armónicos Eléctricos
Enfrentar el desafío de los armónicos en una red eléctrica exige una comprensión clara de las herramientas de filtrado disponibles, así como una estrategia definida sobre cómo eliminar los armónicos eléctricos de forma efectiva.
Para ello, existen 3 tipos principales de filtros, cada uno con una tecnología y un principio de funcionamiento distintos, diseñados para adaptarse a las necesidades específicas de cada instalación.
Filtros Pasivos de Armónicos
Los filtros pasivos son la solución tradicional para el control de armónicos. Funcionan con componentes sencillos: bobinas (L) y condensadores (C). La clave de su diseño es la sintonización, es decir, el ajuste de la bobina y la capacitancia para que el filtro tenga una impedancia casi nula en una frecuencia armónica específica.
Al conectarse en paralelo a la red, crean un camino de baja resistencia que "desvía" o absorbe la corriente de la armónica eléctrica que se desea eliminar.
Los filtros pasivos tienen las siguientes ventajas:
– Son económicos y robustos: su construcción simple los hace fiables y duraderos.
– Corrección del factor de potencia: además de filtrar, los condensadores del filtro pasivo también compensan la potencia reactiva de la red, mejorando la eficiencia.
– Alta capacidad de filtrado: son muy eficaces para mitigar grandes cantidades de un armónico específico.
No obstante, también presentan ciertas desventajas:
– Riesgo de resonancia: un filtro pasivo mal sintonizado, o un cambio en las condiciones de la red (como la adición de nuevas cargas), puede alterar la frecuencia de resonancia del sistema, provocando que el filtro amplifique armónicos en lugar de eliminarlos.
– Ineficaces para cargas variables: su sintonización fija los hace poco flexibles. No se adaptan a las variaciones de la red y pueden perder su eficacia si la frecuencia de los armónicos cambia.
Filtros Activos de Armónicos
Los filtros activos son la solución moderna, basada en la electrónica de potencia. Se instalan en paralelo a la carga no lineal que causa la distorsión. Su funcionamiento es dinámico y en tiempo real.
Un filtro activo monitorea la forma de onda de la corriente de la carga, identifica los armónicos y utiliza un inversor para inyectar una corriente de "cancelación" con la misma magnitud pero en una fase opuesta (180° de desfase). Este proceso neutraliza los armónicos en la red, evitando que se propaguen.
Los filtros activos tienen las siguientes ventajas:
– Versatilidad y adaptabilidad: pueden mitigar múltiples armónicos simultáneamente y se ajustan de manera automática a las variaciones en las cargas.
– No causan resonancia: a diferencia de los pasivos, no introducen un riesgo de resonancia en el sistema, siendo ideales para redes complejas.
– Precisión: eliminan la distorsión con una alta precisión, mejorando la calidad de la energía de forma significativa.
No obstante, también presentan ciertas desventajas:
– Mayor coste inicial: la tecnología avanzada de la electrónica de potencia hace que sean más caros que los pasivos.
– Capacidad de filtrado limitada: generalmente, su capacidad de filtrado nominal es menor que la de los filtros pasivos.
Filtros Híbridos de Armónicos
Para resolver el desafío de cómo corregir los armónicos eléctricos de forma integral, los filtros híbridos emergen como una solución avanzada al combinar la alta capacidad de los filtros pasivos y la versatilidad de los activos.
Suelen consistir en un filtro pasivo sintonizado para mitigar el armónico más dominante y con mayor energía (por ejemplo, el 5º), y un filtro activo de menor capacidad para eliminar el resto de los armónicos y compensar las variaciones en la carga.
Los filtros híbridos tienen las siguientes ventajas:
– Solución técnica y económica óptima: ofrecen una gran capacidad de filtrado de armónicos a un costo inferior al que implicaría una solución solo con filtros activos de la misma capacidad.
– Compensación completa: además del filtrado de armónicos, también realizan la corrección del factor de potencia de la red.
– Versatilidad mejorada: el filtro activo complementa al pasivo, protegiendo al sistema de la resonancia y asegurando un filtrado eficaz ante cambios en la carga.
Impacto del Filtrado de Armónicos en la Calidad de la Energía
La instalación de filtros de armónicos no es solo una solución técnica, sino una inversión estratégica con un impacto directo y significativo en la calidad y fiabilidad de una red eléctrica. Sus efectos se traducen en beneficios tangibles para toda la instalación.
Reducción de la Tasa de Distorsión Armónica Total
El efecto más inmediato y cuantificable de un filtro de armónicos es la drástica reducción de la Distorsión Armónica Total (THD) en la red. Al mitigar las corrientes armónicas, se logra una notable mejora en la forma de onda de la corriente (THDI) y, por consiguiente, en la de la tensión (THDV).
Por ejemplo, un filtro podría llevar una THDI del 32% (un valor muy alto que incumple normativas) a un 8% (un nivel aceptable). Esta "limpieza" de la onda es el primer paso para restaurar la calidad del suministro.
A continuación se observa en la primera figura el aspecto de la tensión y corriente de la onda trifásica para una instalación con THDI = 32% y THDV = 4,4% y sin filtro. En la segunda figura se observa la misma instalación con filtro, en la cual se han reducido sus armónicos a THDI = 8% y THDV = 1,4%.
Mejora de la Eficiencia Operativa
La eliminación de armónicos tiene un efecto directo en la eficiencia de la instalación, lo que se traduce en ahorros y beneficios operativos.
● Reducción de pérdidas por calor: las corrientes armónicas de alta frecuencia generan calor excesivo en los conductores, transformadores y motores. Este calor es energía desperdiciada que se paga en la factura eléctrica. Al filtrar los armónicos, se minimizan estas pérdidas por efecto Joule (P = R ⋅ I2), lo que reduce el consumo de energía y disminuye la temperatura de los equipos.
● Liberación de capacidad en la red: las corrientes armónicas consumen capacidad de cables y transformadores, reduciendo su capacidad útil. Filtrar estos armónicos libera capacidad, permitiendo que la infraestructura existente maneje más carga sin riesgo de sobrecalentamiento ni necesidad de sobredimensionar equipos.
Protección de Equipos y Mayor Fiabilidad
La protección de los equipos es otro pilar fundamental del filtrado de armónicos. Un entorno con baja distorsión es menos estresante para los componentes eléctricos y electrónicos.
● Prolongación de la vida útil: el sobrecalentamiento y el estrés eléctrico causados por los armónicos deterioran el aislamiento de los bobinados en motores y transformadores, acortando su vida útil de forma significativa. Los filtros previenen este deterioro, prolongando la vida de los activos clave de la instalación.
● Menos fallos y paros de producción: al eliminar las sobretensiones armónicas y los picos de corriente, se reduce la probabilidad de fallos en equipos sensibles como PLCs y sistemas de control. Además, se evitan los disparos intempestivos de interruptores automáticos y diferenciales, lo que reduce los paros de producción no planificados y mejora la fiabilidad general de las operaciones.
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