1. ¿Qué son los armónicos?

En los sistemas de potencia, la causa fundamental de los armónicos es la presencia de cargas no lineales. Cuando la corriente fluye a través de una carga y no mantiene una relación lineal con la tensión aplicada, se forma una corriente no sinusoidal, lo que significa que se generan armónicos en el circuito. Las frecuencias armónicas son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Como demostró el matemático francés Fourier ' Según el principio de análisis, cualquier forma de onda repetitiva puede descomponerse en componentes sinusoidales que contienen la frecuencia fundamental y una serie de armónicos que son múltiplos de dicha frecuencia. Los armónicos son ondas sinusoidales, cada una con una frecuencia, amplitud y ángulo de fase distintos. Los armónicos se clasifican en pares e impares: el 3.º, 5.º, 7.º, etc., son armónicos impares, mientras que el 2.º, 4.º, 6.º, 8.º, etc., son armónicos pares. Por ejemplo, cuando la frecuencia fundamental es de 50 Hz, el 2.º armónico es de 100 Hz y el 3.º armónico es de 150 Hz.

En términos generales, los armónicos de orden impar causan más y mayor daño que los armónicos de orden par. En un sistema trifásico equilibrado, los armónicos de orden par se eliminan debido a la simetría, quedando solo los armónicos de orden impar. Para cargas rectificadoras trifásicas, las corrientes armónicas generadas son del orden de 6n ± 1, como el 5º, 7º, 11º, 13º, 17º, 19º, etc. Los convertidores de frecuencia producen principalmente los armónicos 5º y 7º.

2. Supresión armónica

Para resolver los problemas de contaminación armónica causados por dispositivos electrónicos de potencia y otras fuentes de armónicos, existen dos enfoques básicos:

Instale dispositivos de compensación de armónicos para compensar los armónicos, lo cual es aplicable a todo tipo de fuentes armónicas.

Modificar los propios dispositivos electrónicos de potencia para que no generen armónicos y se pueda controlar el factor de potencia a 1, lo cual solo es aplicable a los dispositivos electrónicos de potencia que son las principales fuentes de armónicos.

El método óptimo para instalar dispositivos de compensación de armónicos es adoptar filtros de potencia activa de bajo voltaje Este método permite compensar tanto los armónicos como la potencia reactiva, y el proceso de compensación no se ve afectado por la impedancia de la red eléctrica, evitando así problemas de resonancia. Puede realizar un seguimiento dinámico de los armónicos cambiantes para una compensación en tiempo real, con una adaptabilidad y unos efectos de compensación muy superiores a los de los dispositivos de filtrado pasivo tradicionales.

3. Compensación de potencia reactiva

La potencia reactiva es crucial para el funcionamiento de los sistemas de suministro eléctrico y las cargas. La impedancia de los componentes de la red en los sistemas eléctricos es principalmente inductiva. Por lo tanto, en términos generales, la transmisión de potencia activa requiere una diferencia de fase entre las tensiones en los extremos emisor y receptor, lo cual es factible dentro de un rango bastante amplio; mientras que la transmisión de potencia reactiva requiere una diferencia de amplitud entre las tensiones en ambos extremos, lo cual solo es factible dentro de un rango muy estrecho. La mayoría de los componentes de la red consumen potencia reactiva, y la mayoría de las cargas también la requieren. La potencia reactiva que necesitan los componentes de la red y las cargas debe obtenerse de algún punto de la red. Obviamente, no es razonable, y generalmente es imposible, que toda esta potencia reactiva sea suministrada por generadores y transmitida a largas distancias. Un enfoque razonable es generar potencia reactiva donde se consume, lo que se conoce como compensación de potencia reactiva.

Anhui Zhongdian es una empresa de alta tecnología especializada en brindar soluciones integrales para la compensación de potencia reactiva y el control de armónicos. Puede personalizar dispositivos de compensación de potencia reactiva adecuados según las condiciones de operación de la red eléctrica y las características de carga de diferentes usuarios, ayudándolos a completar la compensación de potencia reactiva localmente y mejorar eficazmente la calidad de la red eléctrica. Actualmente, los métodos comunes de compensación de potencia reactiva incluyen: filtros de potencia activa de bajo voltaje , generador de variables estáticas , y compensación del condensador en derivación Entre ellas, la compensación mediante condensadores en derivación es la más utilizada debido a su estructura simple, bajo costo y fácil mantenimiento. Una compensación adecuada de la potencia reactiva puede reducir eficazmente las pérdidas de potencia en los enlaces de transmisión y transformación de los sistemas de distribución, mejorar la eficiencia operativa de la red eléctrica, estabilizar los niveles de tensión en el extremo receptor, optimizar la calidad del suministro eléctrico y mejorar la estabilidad de los sistemas de suministro eléctrico.

4. Las funciones principales de la compensación de potencia reactiva son las siguientes:

• Mejorar el factor de potencia de los sistemas y cargas de suministro/consumo de energía, reducir la capacidad de los equipos y disminuir las pérdidas de energía.
• Estabilizar los voltajes en el extremo receptor y en la red eléctrica, y mejorar la calidad del suministro eléctrico. La instalación de dispositivos de compensación dinámica de potencia reactiva en ubicaciones adecuadas de las líneas de transmisión de larga distancia también puede mejorar la estabilidad de los sistemas de transmisión y aumentar la capacidad de transmisión.
• En situaciones con cargas trifásicas desequilibradas, como en los ferrocarriles electrificados, una compensación adecuada de la potencia reactiva puede equilibrar las cargas activas y reactivas de las tres fases.

5. Generación de armónicos y potencia reactiva

En las cargas eléctricas industriales y domésticas, las cargas resistivas-inductivas representan una gran proporción. Los motores asíncronos, los transformadores, las lámparas fluorescentes, etc., son ejemplos típicos de cargas resistivas-inductivas. La potencia reactiva consumida por los motores asíncronos y los transformadores constituye una proporción importante de la potencia reactiva suministrada por los sistemas eléctricos. Los reactores y las líneas aéreas de los sistemas eléctricos también consumen cierta potencia reactiva. Las cargas resistivas-inductivas deben absorber potencia reactiva para funcionar con normalidad, lo cual está determinado por sus propiedades intrínsecas.

Los dispositivos no lineales, como los equipos de electrónica de potencia, también consumen potencia reactiva, especialmente los dispositivos con control de fase. Por ejemplo, los rectificadores con control de fase, los circuitos de regulación de potencia de CA con control de fase y los cicloconvertidores presentan un desfase entre la corriente fundamental y la tensión de red durante su funcionamiento, consumiendo así una gran cantidad de potencia reactiva. Además, estos dispositivos generan una gran cantidad de corrientes armónicas, y todas las fuentes de armónicos consumen potencia reactiva. La corriente fundamental de los circuitos rectificadores de diodos está aproximadamente en fase con la tensión de red, por lo que prácticamente no consumen potencia reactiva fundamental. Sin embargo, también generan una gran cantidad de corrientes armónicas y, por lo tanto, consumen cierta cantidad de potencia reactiva.

La creciente aplicación de dispositivos electrónicos de potencia los ha convertido en la principal fuente de armónicos. Entre los diversos dispositivos electrónicos de potencia, los rectificadores representan la mayor proporción. Actualmente, los circuitos rectificadores de uso común adoptan casi exclusivamente circuitos rectificadores controlados por fase con tiristores o circuitos rectificadores con diodos, siendo los de puente trifásico y monofásico los más frecuentes. La contaminación armónica y el retardo del factor de potencia causados por los circuitos rectificadores con cargas resistivas-inductivas son bien conocidos. Los circuitos rectificadores con diodos y filtrado capacitivo en el lado de CC también constituyen fuentes importantes de contaminación armónica. El componente fundamental de la corriente de entrada de dichos circuitos está aproximadamente en fase con la tensión de alimentación, por lo que el factor de potencia fundamental es cercano a 1. Sin embargo, los componentes armónicos de la corriente de entrada son muy grandes, lo que provoca una grave contaminación en la red eléctrica y resulta en un bajo factor de potencia global.

6. Impactos de la potencia reactiva y riesgos de los armónicos

( 1 ） Impactos de la potencia reactiva

• El aumento de la potencia reactiva conlleva una mayor corriente y potencia aparente, incrementando así la capacidad de generadores, transformadores, otros equipos eléctricos y conductores. Asimismo, es necesario ampliar el tamaño y las especificaciones de los equipos de arranque y control, así como de los instrumentos de medición para los usuarios de energía.
• El aumento de la potencia reactiva incrementa la corriente total, lo que eleva las pérdidas en los equipos y las líneas, algo que resulta obvio.
• Incrementa las caídas de tensión en líneas y transformadores. En el caso de cargas de potencia reactiva significativas, también provoca fluctuaciones de tensión severas, lo que reduce seriamente la calidad del suministro eléctrico.

( 2 ） Peligros de los armónicos

• Los armónicos generan pérdidas armónicas adicionales en los componentes de la red eléctrica pública, lo que reduce la eficiencia de los equipos de generación, transmisión y consumo de energía. Una gran cantidad de terceros armónicos que circulan por el neutro pueden sobrecalentar las líneas e incluso provocar incendios.
• Los armónicos afectan el funcionamiento normal de diversos equipos eléctricos. Además de causar pérdidas adicionales, los armónicos inducen vibraciones mecánicas, ruido y sobretensiones en los motores, lo que provoca un sobrecalentamiento localizado severo en los transformadores. Los armónicos sobrecalientan condensadores, cables y otros equipos, aceleran el envejecimiento del aislamiento, reducen la vida útil e incluso pueden causar daños.
• Los armónicos pueden causar resonancias paralelas y en serie locales en la red eléctrica pública, amplificando los armónicos y aumentando considerablemente los peligros mencionados en (1) y (2), llegando incluso a provocar accidentes graves.
• Los armónicos pueden provocar fallos en la protección de relés y en los dispositivos automáticos, y dar lugar a mediciones inexactas en los contadores eléctricos.
• Los armónicos interfieren con los sistemas de comunicación adyacentes, provocando ruido y reduciendo la calidad de la comunicación en casos leves, y causando pérdida de datos y fallos del sistema en casos graves.