Un Compensador Activo de Armónicos es un equipo electrónico que se intercala en paralelo entre la fuente de alimentación y la carga, y compensa los armónicos mediante la reinyección de corriente. Mide el contenido armónico de la corriente de carga y suministra una corriente de igual valor instantáneo y en fase opuesta para eliminar las frecuencias no deseadas, proporcionando una reducción en la polución armónica de la corriente aguas arriba en un factor 10 ó incluso superior.
Un Compensador Activo de Armónicos puede reducir los armónicos de corriente hasta conseguir un nivel de distorsión THDI inferior al 3%. Técnicamente es posible conseguir una distorsión menor, lo que implica un equipo de mayor calibre, aunque el 3% es adecuado en la mayoría de situaciones.
Al ser un equipo totalmente electrónico puede programarse, permitiendo escoger qué tipo de compensación se prefiere: una reducción global o bien centrarse en unos rangos determinados, en caso de tener algunos especialmente problemáticos. Además, permite la conexión de varias unidades en paralelo, que pueden insertarse en cualquier momento permitiendo una evolución conjunta con las ampliaciones de la instalación.
En el siguiente gráfico se muestra la forma de onda distorsionada correspondiente a un rectificador trifásico y su forma característica de consumo.
Corriente de carga (Puente Graetz).
Carga real Ieff = 82 A, THDI = 41 %
La totalidad del espectro de los armónicos comprendidos entre el armónico 2 y el 25 (de H2 al H25) serán cubiertos por el compensador activo de armónicos.
Corriente inyectada por un compensador de 30 A.
De esta manera, la corriente suministrada por la fuente de suministro será senoidal.
La fuente alimenta entonces a la carga, con la componente fundamental de corriente únicamente.
Corriente del puente Graetz una vez compensado.
Corriente compensada Ieff =75 A, THDI = 3,6 %
Una vez compensados los armónicos, la fuente de energía, normalmente suministra la corriente fundamental, y el compensador activo de armónicos, suministra la componente formada por las corrientes armónicas demandadas por la carga.
Si las corrientes armónicas absorbidas por la carga superan la capacidad nominal del compensador activo de armónicos, este último limita automáticamente su corriente de salida a su valor nominal.
Principio de funcionamiento de los compensadores activos
Se puede analizar el principio de funcionamiento del comprensador activo de armónicos, examinando el siguiente gráfico.
En el triángulo de potencias está representada la potencia aparente de la carga S’, compuesta por la potencia aparente de la fundamental sin armonico S y su potencia de deformación D por lo tanto S’ = S + D.
Observando el gráfico, se puede apreciar que el compensador activo necesita consumir una energía para su propio funcionamiento denominada p’ y aporta una potencia armónica de compensación D’ que se opone a la potencia de deformación de la carga a compensar, resultando que (D’ = -D).
Si el compensador aporta una potencia armónica D’ que anula a la potencia armónica de la carga D, resulta que la carga a partir de este momento y en permanencia, solamente consumirá aguas arriba la potencia fundamental S.
El compensador activo de armónicos permite además, si le sobra potencia, corregir parte o toda la reactiva, por lo que, si además de eliminar los armónicos, compensa la reactiva Q se habrá conseguido que la potencia activa sea igual que la aparente y se habrá llevado a uno el cos 𝞿, luego P = S y esto solo es posible cuando la carga es lineal o sea cuando no contiene armónicos.
Caso particular del neutro
En un sistema trifásico alimentando una carga lineal y equilibrada, la corriente por el neutro es prácticamente nula. Por este motivo ha sido práctica frecuente, y admitida por la normativa, dimensionar el conductor de neutro a la mitad de sección de los conductores de las fases.
Los armónicos producidos en un sistema dependen en gran medida del tipo de carga conectada. Los ordenadores personales son generadores de los armónicos 3º, 9º y 15º, que retornan por el neutro y pueden provocar que la corriente que pasa por él sea el doble de la de las fases. Actualmente, muchos proyectistas dimensionan el neutro con una sección dos veces la de las fases, pero utilizando un sistema de compensación activa convenientemente programado, los armónicos 3º, 9º y 15º pueden reducirse drásticamente, evitando las sobrecargas en el neutro.
Sin embargo, muchos usuarios desconocen qué está causando las sobrecargas en el neutro y simplemente sobredimensionan el cable sin investigar el origen del problema.
Los compensadores activos de armónicos inyectan una corriente de secuencia negativa que equilibra la corriente fundamental en redes con cargas desequilibradas.
Calidad de la tensión y ahorro de energía
El Compensador Activo contribuye asimismo a disminuir la distorsión de tensión THDU aguas arriba, lo que se traduce en una forma de onda senoidal que permitirá alimentar los equipos electrónicos sensibles con una tensión sin distorsiones.
La corrección de la distorsión armónica permite reducir hasta un 30% la potencia aparente de la instalación, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea la tasa de distorsión armónica global que haya que depurar, mayor será el éxito del compensador activo de armónicos.
Además, la potencia sobrante no utilizada para reducir los armónicos puede dedicarse a mejorar el cos 𝞿, disminuyendo así la potencia reactiva consumida por la instalación.
Otras ventajas adicionales como su reducido peso y volumen (al conectarse en paralelo no debe de dimensionarse para la potencia de la instalación, sino solamente para su potencia armónica), su nulo riesgo de sobrecarga (al llegar a su capacidad nominal, de forma automática limita su actuación a este valor sin afectar al funcionamiento del resto de la instalación) y sin riesgos de entrar en resonancia (a diferencia de los filtros pasivos sintonizados), permiten apostar decididamente por los Compensadores Activos de Armónicos como la solución a los problemas de armónicos actuales y futuros de cualquier instalación.
Puntos de inserción y elección del compensador activo
Para elegir el compensador adecuado y el punto de inserción, se debe realizar un estudio de la instalación, analizando los armónicos, en diferentes puntos donde se pueda concentrar un determinado nivel de los mismos, para así poder determinar el lugar más adecuado para insertar el compensador o compensadores activos de armónicos necesarios y así poder obtener los beneficios previstos.
Se pueden elegir diferentes puntos en función de las necesidades, siendo lo más eficaz la eliminación los armónicos en el punto más próximo al lugar donde se generan, para que su recorrido por la instalación sea mínimo y no lleguen a afectar a otras cargas ni a la fuente.
Puntos de inserción
Se pueden realizar compensaciones locales, próximas a las cargas deformantes, compensaciones parciales en cuadros intermedios cuando la suma de las diferentes cargas aconseje hacer la compensación en ese punto y también se pueden hacer compensaciones globales, las cuales permitirán mejorar las condiciones de la fuente.
Si en una instalación donde se encuentra un transformador que está desclasificado como consecuencia de las cargas que alimenta, si se eliminan los armónicos que le han estado provocando esta situación, a esta misma instalación se puede acometer alguna ampliación, pudiendo conectar a la misma mayor número de equipos, cuando en la anterior situación era imposible.
Lo mismo se puede hacer con un Sistema de Alimentación Ininterrumpida, el cual se queda desclasificado debido a las corrientes de pico (factor de cresta) de las cargas conectadas al mismo, si se eliminan los armónicos un S.A.I. podrá alimentar a más usuarios.
Gama de Compensadores activos de armónicos de la marca Schneider Electric.
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