Con el rápido desarrollo de los dispositivos electrónicos de potencia y la tecnología microelectrónica, un gran número de equipos eléctricos no lineales se utilizan ampliamente en sectores industriales como la metalurgia, la siderurgia, la energía, el transporte y la industria química. Por ejemplo, los equipos de electrólisis, las locomotoras eléctricas, la maquinaria de laminación y los equipos de alta frecuencia están conectados a la red eléctrica, lo que agrava la contaminación armónica de la red y reduce la calidad de la energía del sistema.

Causas de la generación de armónicos

Los armónicos en las redes eléctricas tienen múltiples fuentes y se generan en cada etapa de la producción, transmisión, conversión y uso de la energía.

En otros aspectos, los armónicos se generan principalmente a partir de los siguientes equipos eléctricos con características no lineales: (1) equipos con núcleo de hierro con características de saturación ferromagnética, como transformadores y reactores; (2) equipos que utilizan arcos eléctricos con fuertes características no lineales como medio de trabajo, como lámparas de descarga de gas, máquinas de soldadura por arco de CA y hornos de arco eléctrico para la fabricación de acero; (3) equipos de alimentación conmutada basados en componentes electrónicos de potencia, como diversos equipos de conversión de potencia (rectificadores, inversores, convertidores de frecuencia), dispositivos de regulación de velocidad y voltaje controlados por fase, y equipos de conmutación controlables por tiristores de gran capacidad. Se utilizan ampliamente en empresas químicas, ferroviarias eléctricas, metalúrgicas, mineras y otras empresas industriales y mineras, así como en diversos electrodomésticos. La característica significativa de estos dispositivos eléctricos no lineales (o cargas no lineales) es que extraen corriente no sinusoidal de la red eléctrica. Aunque la fuente de alimentación suministre a estas cargas una tensión sinusoidal, las características no lineales de tensión y corriente, donde la corriente no varía sincronizadamente con la tensión, dan como resultado una corriente no sinusoidal que fluye a través de la red eléctrica. Esta forma de onda de corriente consta de una frecuencia fundamental y armónicos que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, generando así armónicos y distorsionando gravemente la tensión de la red eléctrica. Además, la red eléctrica debe suministrar energía eléctrica adicional a los armónicos generados por estas cargas.

Las corrientes armónicas generadas por dispositivos no lineales conectados a sistemas de baja tensión se pueden dividir en dos categorías principales: armónicas estables y armónicas variables. Las corrientes armónicas estables son aquellas cuya amplitud no varía con el tiempo, como las generadas por equipos de visualización de vídeo e instrumentos de prueba. Estos dispositivos actúan como una carga constante en la red eléctrica. Por otro lado, las corrientes armónicas fluctuantes son aquellas cuya amplitud varía con el tiempo, generadas por impresoras láser, fotocopiadoras, hornos microondas, etc. Estos dispositivos actúan como una carga variable en el tiempo en la red eléctrica.

Debido al creciente uso de equipos electrónicos de potencia y al hecho de que los armónicos generados por estos dispositivos tienen grandes amplitudes, actualmente son las principales fuentes de armónicos en los sistemas de suministro de energía.

Los peligros de los armónicos

Cuando una gran cantidad de corriente armónica fluye hacia la red eléctrica, la impedancia de la red genera caídas de tensión armónicas que se superponen a la frecuencia fundamental, causando distorsión de voltaje y deterioro de la calidad de la energía. Cuando los armónicos inyectados en la red eléctrica pública superan un cierto valor, pueden dañar el funcionamiento normal de la red y de los equipos eléctricos. En ciertos momentos, los problemas armónicos causados por la corriente armónica inyectada son particularmente graves, impidiendo el correcto funcionamiento de los equipos conectados a la red o incluso provocando fallos de funcionamiento, además de sobrecargar la línea neutra del sistema de suministro eléctrico y afectar la transmisión de energía. Por lo tanto, los problemas armónicos han recibido gran atención por parte de todos los actores involucrados.

Nuevas medidas de supresión de armónicos

Un filtro de potencia activo (APF) es un nuevo tipo de supresión armónica y dispositivo de compensación de potencia reactiva. A diferencia de los filtros LC pasivos tradicionales (que solo absorben armónicos de una frecuencia fija), puede compensar la potencia reactiva cuando tanto la corriente como la frecuencia cambian, logrando así una compensación dinámica.

Filtro de potencia activo Los filtros activos de potencia (APF) se pueden clasificar en AFP en serie y AFP en paralelo según su método de conexión a la red. Actualmente, más del 90 % de los dispositivos AFP en aplicaciones prácticas utilizan una estructura en paralelo con inversores de voltaje. En los últimos años, para aprovechar las ventajas de los AFP, mejorar el rendimiento, reducir la capacidad, disminuir los costos y aumentar la aplicabilidad, se han diseñado AFP híbridos serie-paralelo. Estos consisten en un sistema de filtro híbrido (HPFS) compuesto por un filtro activo de potencia (APF) y un filtro pasivo de potencia (PPF). El PPF filtra las corrientes armónicas, mientras que el APF mejora el efecto de filtrado y suprime la resonancia en serie. Para satisfacer las necesidades de control multifuncional y complejo de los AFP, la aplicación de métodos de control modernos como el control de estructura variable, el control difuso y las redes neuronales artificiales ha dado como resultado un mejor rendimiento y efectos de control. Los métodos de generación de PWM comúnmente utilizados incluyen: método de comparación de onda triangular, método de control de histéresis, método de control predictivo, método de eliminación de armónicos específicos y método de vector espacial. Por lo tanto, al mejorar las técnicas de modulación PWM y multiplexación por frecuencia de conmutación, se puede lograr una compensación eficaz de los armónicos superiores. Cuando la capacidad de un filtro activo es pequeña, se suelen utilizar tecnologías IGBT y PWM para la compensación de armónicos; cuando la capacidad es grande, se utilizan tecnologías GTO y de multiplexación, con resultados más significativos.