Interferencia armónica y soluciones en sistemas de frecuencia variable
May 06,2026
Con el desarrollo de la tecnología de automatización industrial, los convertidores de frecuencia se utilizan cada vez más. Su excelente rendimiento en la regulación de velocidad y su evidente efecto de ahorro de energía son cada vez más elogiados. Sin embargo, los armónicos generados por los convertidores de frecuencia durante su funcionamiento están causando daños cada vez más graves a la red eléctrica. Por lo tanto, los requisitos para suprimir la interferencia armónica y
mejorar la calidad de la energía
Se están volviendo cada vez más urgentes.
Principio del convertidor de frecuencia
Un convertidor de frecuencia es un dispositivo que transforma la corriente alterna (CA) de voltaje y frecuencia fijos en corriente alterna de voltaje y frecuencia variables. Su circuito principal suele ser CA-CC-CA. Un rectificador de puente trifásico rectifica la corriente alterna de 380 V/50 Hz, convirtiéndola en corriente continua (CC), y luego la invierte en corriente alterna de frecuencia variable mediante filtrado capacitivo y elementos de conmutación de alta potencia (IGBT, GTO, etc.).
La inyección de armónicos en la red eléctrica provoca un aumento adicional de la temperatura y daños en el aislamiento de equipos inductivos como motores, transformadores y cables, lo que reduce la vida útil de los equipos eléctricos, incrementa las pérdidas, provoca fallos y daños en los condensadores y aumenta la probabilidad de resonancia del sistema. Los armónicos también pueden causar diversos problemas, como el mal funcionamiento de la protección de relés y los dispositivos automáticos, lecturas inexactas de instrumentos y medición de potencia, e interferencias con los sistemas de comunicación.
armónicos de convertidores de frecuencia
Como se desprende del principio de funcionamiento de los convertidores de frecuencia, debido a las características de conmutación del circuito inversor, el convertidor de frecuencia constituye una carga no lineal típica en el circuito de alimentación. Cuando la corriente fluye a través de la carga, no guarda una relación lineal con la tensión aplicada, lo que genera una corriente no sinusoidal y armónicos. Tanto las tensiones como las corrientes de entrada y salida del convertidor de frecuencia contienen numerosos componentes armónicos de orden superior.
Forma de onda en la salida del convertidor de frecuencia
En el circuito de salida del inversor, tanto la tensión como la corriente de salida contienen armónicos. En el caso de los inversores controlados por PWM, siempre que se trate de un inversor de tensión, independientemente del tipo de control PWM, la forma de onda de la tensión de salida es rectangular, y las frecuencias armónicas están relacionadas con la frecuencia de modulación del inversor. La forma de onda de la corriente es aproximadamente una onda sinusoidal con picos.
Riesgos armónicos de alto orden
1. Transformadores: Las corrientes y tensiones armónicas aumentan las pérdidas de cobre y hierro en los transformadores, lo que provoca un aumento de la temperatura, una reducción de la capacidad de aislamiento y una disminución del margen de capacidad. Las armónicas también pueden generar resonancia y ruido.
2. Motores de inducción: Los armónicos también aumentan las pérdidas de cobre y hierro en el motor, lo que provoca un incremento de la temperatura. Simultáneamente, las corrientes armónicas alteran el par electromagnético, generando un par de vibración que causa fluctuaciones periódicas de la velocidad del motor, afectando la eficiencia de salida y produciendo ruido.
Otro argumento es que los armónicos provocan un calentamiento adicional en el motor, lo que conlleva un aumento de temperatura; incrementan la tensión máxima repetitiva, dañando el aislamiento del motor y reduciendo su vida útil; generan pulsaciones de par; y aumentan el ruido. En aplicaciones prácticas, muchas fallas inexplicables de motores son causadas por armónicos. Se puede utilizar un filtro de onda sinusoidal para mejorar la forma de onda en la salida del inversor, corrigiéndola para que sea una onda sinusoidal perfecta.
3. Equipos de conmutación: Las corrientes armónicas provocan una alta tasa de cambio de corriente en los equipos de conmutación al arrancar, lo que aumenta la tensión máxima de recuperación transitoria, daña el aislamiento y también puede provocar que el interruptor se dispare o funcione mal.
4. Aparatos eléctricos de protección: Los armónicos en la corriente de los aparatos eléctricos de protección pueden generar un par adicional, alterando sus características de funcionamiento, provocando fallos de funcionamiento o incluso quemando las bobinas.
5. Instrumentos de medición: Los armónicos en los instrumentos de medición pueden causar un par adicional en la placa de inducción, lo que conlleva errores, una menor precisión o incluso la quema de las bobinas.
6. Equipos de electrónica de potencia: Los equipos de electrónica de potencia suelen basarse en el principio de cruce por cero preciso de la fuente de alimentación o en la forma de las ondas de voltaje para su control y funcionamiento. Si el voltaje contiene componentes armónicos, pueden producirse desplazamientos del cruce por cero, cambios en la forma de onda y numerosas averías. Los ordenadores y otros dispositivos electrónicos suelen requerir una distorsión armónica total (THD) inferior al 5 % y tasas de distorsión armónica individual inferiores al 3 %. Una mayor distorsión puede provocar fallos en los equipos de control, lo que conlleva interrupciones en la producción u operación y pérdidas económicas significativas.
7. Cables de alimentación: Las corrientes armónicas de alta frecuencia pueden inducir el efecto pelicular en los conductores, generando un aumento adicional de temperatura y mayores pérdidas de cobre. En particular, las corrientes armónicas de tercer orden de secuencia cero se superponen en la línea neutra, lo que resulta en una corriente de línea neutra muy elevada en el sistema de alimentación. En algunos casos, la corriente en la línea neutra puede incluso superar la corriente de fase, provocando el calentamiento de la línea neutra, acelerando el envejecimiento del aislamiento e incluso causando un incendio. Además, cuando existe una corriente armónica elevada en la línea neutra, la impedancia del conductor puede generar una gran caída de tensión en la línea neutra, interfiriendo con el funcionamiento normal de diversos sistemas microelectrónicos.
8. Condensadores de potencia: Debido al aumento de la frecuencia de los armónicos superiores, la impedancia de los condensadores a estos armónicos disminuye, lo que provoca sobrecalentamiento por sobrecorriente e incluso daños en los condensadores. Los circuitos en paralelo o en serie formados por condensadores y cargas inductivas en el sistema también pueden experimentar resonancia armónica, amplificando las corrientes o tensiones armónicas y exacerbando los efectos nocivos de los armónicos. Los circuitos resonantes en paralelo formados por la capacitancia del banco de condensadores y la inductancia de la rejilla pueden amplificarse entre 10 y 15 veces.
Métodos para suprimir armónicos en convertidores de frecuencia
Un
filtro armónico activo
Esencialmente, se trata de un generador de armónicos, conectado en paralelo o en serie al circuito principal. Utiliza un chip DSP de alta velocidad para monitorizar los parámetros del sistema en tiempo real, separando los componentes fundamentales y armónicos. Un dispositivo de compensación genera una corriente de compensación de igual magnitud y dirección opuesta a la corriente armónica, logrando así una compensación en tiempo real de esta última. En comparación con los filtros pasivos, ofrece una alta controlabilidad y una respuesta rápida, no se ve afectado por la impedancia del sistema, evita los riesgos de resonancia y puede rastrear y compensar automáticamente los armónicos cambiantes. Entre sus desventajas se incluyen su elevado coste y la dificultad para fabricar filtros de gran capacidad.
