Con el avance de la tecnología de automatización industrial, los variadores de frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés) son cada vez más comunes, ganando un creciente reconocimiento por sus excelentes capacidades de regulación de velocidad y sus significativos efectos de ahorro energético. Sin embargo, los armónicos generados durante su funcionamiento representan una amenaza cada vez más grave para la red eléctrica; en consecuencia, la necesidad de suprimir la interferencia armónica y mejorar la calidad de la energía se ha vuelto cada vez más urgente.

1. Principio de funcionamiento del variador de frecuencia (VFD)

Un variador de frecuencia es un dispositivo que convierte energía de CA con voltaje y frecuencia fijos en energía de CA con voltaje y frecuencia variables. Su circuito principal emplea típicamente una topología CA-CC-CA: un circuito rectificador de puente trifásico convierte el suministro de red de CA estándar de 380V/50Hz en voltaje de CC, que luego se invierte en voltaje de CA de frecuencia variable utilizando filtrado de condensadores y componentes de conmutación de alta potencia (como IGBT o GTO).La inyección de armónicos en la red eléctrica provoca un aumento adicional de temperatura y la degradación del aislamiento en equipos inductivos (como motores, transformadores y conductores), lo que acorta la vida útil del equipo y aumenta las pérdidas. También conduce a fallos y daños en los condensadores, aumenta el riesgo de resonancia del sistema y desencadena una serie de otros problemas, incluyendo el mal funcionamiento de relés de protección y dispositivos automáticos, imprecisiones en la instrumentación y medición de energía, e interferencias con los sistemas de comunicación.

2. Armónicos en los variadores de frecuencia (VFD)

Basado en los principios de funcionamiento de un VFD, las características de conmutación de su circuito inversor lo convierten en una carga no lineal típica en el circuito de alimentación. Cuando la corriente fluye a través de la carga, no mantiene una relación lineal con el voltaje aplicado; esto resulta en una corriente no sinusoidal, generando así armónicos. En consecuencia, el voltaje y la corriente tanto en el lado de entrada como en el de salida del VFD contienen componentes armónicos de alto orden significativos.

• Armónicos en el lado de la red del VFD

• Formas de onda en la salida del VFD

3. Peligros de los armónicos de alto orden

• Transformadores: Las corrientes y voltajes armónicos aumentan las pérdidas de cobre y hierro en los transformadores, provocando aumentos de temperatura, comprometiendo la integridad del aislamiento y reduciendo los márgenes de capacidad. Los armónicos también pueden inducir resonancia y generar ruido.

• Motores de inducción: Los armónicos aumentan de manera similar las pérdidas de cobre y hierro en los motores, lo que lleva a aumentos de temperatura. Además, las corrientes armónicas alteran el par electromagnético y generan componentes de par oscilante; esto causa fluctuaciones periódicas en la velocidad del motor, perjudica la eficiencia de salida y produce ruido. Problemas adicionales incluyen la generación de calor extra y aumento de temperatura; mayores voltajes pico repetitivos que dañan el aislamiento y acortan la vida útil del motor; pulsación de par; y niveles de ruido elevados. En la práctica, muchos fallos inexplicables de motores son atribuibles a los armónicos. La instalación de un filtro de onda sinusoidal en la salida del variador de frecuencia (VFD) puede corregir la forma de onda a una onda sinusoidal pura.

• Aparamenta: Las corrientes armónicas pueden causar altas tasas de cambio de corriente durante el arranque, aumentando los voltajes de recuperación transitorios pico. Esto puede dañar el aislamiento y provocar disparos no deseados o fallos de funcionamiento.

• Dispositivos de protección: Los armónicos en la corriente que fluye a través de los dispositivos de protección pueden generar par extra, alterar las características de funcionamiento, causar fallos de funcionamiento o incluso quemar bobinas.

• Instrumentos de medición: Los armónicos pueden inducir par extra en los discos de inducción de los instrumentos de medición, lo que lleva a errores de medición, precisión reducida y posible quemado de bobinas.

• Equipos electrónicos de potencia: Los equipos electrónicos de potencia dependen típicamente de una detección precisa de cruce por cero o de formas de onda de voltaje específicas para su control y funcionamiento. La presencia de componentes armónicos desplaza los puntos de cruce por cero y distorsiona las formas de onda, lo que lleva a fallos de funcionamiento. Las computadoras y otros dispositivos electrónicos generalmente requieren una Distorsión Armónica Total (THD) inferior al 5% y niveles de distorsión armónica individual inferiores al 3%. Niveles de distorsión más altos pueden causar que el equipo de control funcione mal, resultando en interrupciones de producción u operativas y pérdidas económicas significativas.

• Cables de alimentación: Las corrientes armónicas de alta frecuencia inducen el efecto pelicular en los conductores, generando calor adicional y aumentando las pérdidas de cobre. En particular, las corrientes de tercer armónico de secuencia cero se superponen dentro del conductor neutro, resultando en altas corrientes neutras, a veces incluso excediendo las corrientes de fase. Esto hace que el conductor neutro se sobrecaliente, acelera el envejecimiento del aislamiento y puede incluso provocar incendios. Además, las corrientes armónicas significativas en el conductor neutro crean una caída de voltaje sustancial a través de la impedancia del conductor, interfiriendo con el funcionamiento normal de varios sistemas microelectrónicos.
• Condensador de potencia: A medida que aumenta la frecuencia de los armónicos de orden superior, la impedancia de los condensadores a estos armónicos disminuye; esto puede provocar sobrecalentamiento, o incluso daños, debido a sobrecorriente. Además, los circuitos paralelos o en serie formados por condensadores y cargas inductivas dentro del sistema pueden experimentar resonancia armónica, lo que amplifica las corrientes o voltajes armónicos y exacerba los peligros asociados. En circuitos resonantes paralelos formados por bancos de condensadores e inductancia de red, los niveles armónicos pueden amplificarse por un factor de 10 a 15.

El filtro armónico activo actúa esencialmente como una fuente armónica conectada en paralelo o en serie con el circuito principal. Emplea un chip DSP de alta velocidad para monitorear los parámetros del sistema en tiempo real y aislar los componentes fundamentales y armónicos; una unidad de compensación genera entonces una corriente de compensación igual en magnitud pero opuesta en dirección a la corriente armónica, logrando así una compensación armónica en tiempo real. En comparación con los filtros pasivos, los filtros activos ofrecen una alta controlabilidad y respuesta rápida, no se ven afectados por la impedancia del sistema, no presentan riesgo de resonancia y pueden rastrear y compensar automáticamente los armónicos fluctuantes. Sin embargo, tienen inconvenientes como el alto costo y las dificultades en la fabricación de unidades de alta capacidad.