“La no linealidad significa que es difícil de resolver”, dijo una vez Arthur Mattuck, matemático del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).Pero debe abordarse cuando se aplica la no linealidad a las cargas eléctricas, porque genera corrientes armónicas y afecta negativamente la distribución de energía, y es costoso.Aquí, Marek Lukaszczyk, Gerente de Marketing para Europa y Medio Oriente de WEG, un fabricante y proveedor global de tecnología de motores y variadores, explica cómo mitigar los armónicos en las aplicaciones de inversores.
Lámparas fluorescentes, fuentes de alimentación conmutadas, hornos de arco eléctrico, rectificadores y convertidores de frecuencia.Todos estos son ejemplos de dispositivos con cargas no lineales, lo que significa que el dispositivo absorbe voltaje y corriente en forma de pulsos cortos repentinos.Son diferentes de los dispositivos que tienen cargas lineales, como motores, calefactores, transformadores energizados y bombillas incandescentes.Para cargas lineales, la relación entre las formas de onda de voltaje y corriente es sinusoidal, y la corriente en cualquier momento es proporcional al voltaje expresado por la ley de Ohm.
Un problema con todas las cargas no lineales es que generan corrientes armónicas.Los armónicos son componentes de frecuencia que suelen ser superiores a la frecuencia fundamental de la fuente de alimentación, entre 50 o 60 Hertz (Hz), y se suman a la corriente fundamental.Estas corrientes adicionales causarán distorsión de la forma de onda del voltaje del sistema y reducirán su factor de potencia.
Las corrientes armónicas que fluyen en el sistema eléctrico pueden producir otros efectos indeseables, como la distorsión del voltaje en los puntos de interconexión con otras cargas y el sobrecalentamiento de los cables.En estos casos, la medición de la distorsión armónica total (THD) puede decirnos qué parte de la distorsión de voltaje o corriente es causada por los armónicos.
En este artículo estudiaremos cómo reducir los armónicos en las aplicaciones de inversores basándonos en las recomendaciones de la industria para el correcto seguimiento e interpretación de los fenómenos que provocan problemas en la calidad de la energía.
El Reino Unido utiliza la Recomendación de ingeniería (EREC) G5 de la Energy Network Association (ENA) como una buena práctica para gestionar la distorsión armónica de tensión en los sistemas de transmisión y redes de distribución.En la Unión Europea, estas recomendaciones suelen estar contenidas en las directivas de compatibilidad electromagnética (EMC), que incluyen varios estándares de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), como IEC 60050. IEEE 519 suele ser un estándar norteamericano, pero vale la pena señalar que IEEE 519 se centra en los sistemas de distribución en lugar de los dispositivos individuales.
Una vez que los niveles armónicos se determinan mediante simulación o medición, hay muchas formas de minimizarlos para mantenerlos dentro de límites aceptables.Pero, ¿cuál es el límite aceptable?
Dado que no es económicamente factible o imposible eliminar todos los armónicos, existen dos estándares internacionales de EMC que limitan la distorsión de la tensión de alimentación especificando el valor máximo de la corriente armónica.Son la norma IEC 61000-3-2, apta para equipos con corriente nominal hasta 16 A (A) y ≤ 75 A por fase, y la norma IEC 61000-3-12, apta para equipos por encima de 16 A.
El límite de los armónicos de tensión debe ser mantener el THD (V) del punto de acoplamiento común (PCC) en ≤ 5 %.PCC es el punto donde los conductores eléctricos del sistema de distribución de energía están conectados a los conductores del cliente y cualquier transmisión de energía entre el cliente y el sistema de distribución de energía.
Se ha utilizado una recomendación de ≤ 5% como único requisito para muchas aplicaciones.Por eso, en muchos casos, basta con utilizar un inversor con un rectificador de 6 pulsos y una reactancia de entrada o un inductor de enlace de corriente continua (CC) para cumplir con la recomendación de distorsión de tensión máxima.Por supuesto, en comparación con un convertidor de 6 pulsos sin inductor en el enlace, el uso de un convertidor con inductor de enlace de CC (como los CFW11, CFW700 y CFW500 de WEG) puede reducir significativamente la radiación armónica.
De lo contrario, existen varias otras opciones para reducir los armónicos del sistema en aplicaciones de inversor, que presentaremos aquí.
Una solución para reducir los armónicos es utilizar un inversor con un rectificador de 12 pulsos.Sin embargo, este método generalmente solo se usa cuando ya hay un transformador instalado;para varios inversores conectados al mismo enlace de CC;o si una nueva instalación requiere un transformador dedicado al inversor.Además, esta solución es apta para potencias que suelen ser superiores a los 500 kilovatios (kW).
Otro método es usar un inversor de corriente activa (CA) de 6 pulsos con un filtro pasivo en la entrada.Este método puede coordinar diferentes niveles de voltaje (voltaje armónico entre medio (MV), alto voltaje (HV) y extra alto voltaje (EHV)) y respalda la compatibilidad y elimina los efectos adversos en los equipos sensibles de los clientes.Aunque esta es una solución tradicional para reducir los armónicos, aumentará la pérdida de calor y reducirá el factor de potencia.
Esto nos lleva a una forma más rentable de reducir los armónicos: use un inversor con un rectificador de 18 pulsos, o especialmente un variador de CC-CA alimentado por un enlace de CC a través de un rectificador de 18 pulsos y un transformador de cambio de fase.El rectificador de pulsos es la misma solución ya sea de 12 pulsos o de 18 pulsos.Si bien esta es una solución tradicional para reducir armónicos, debido a su alto costo, generalmente solo se usa cuando se ha instalado un transformador o se requiere un transformador especial para el inversor para una nueva instalación.La potencia suele ser superior a 500 kW.
Algunos métodos de supresión de armónicos aumentan la pérdida de calor y reducen el factor de potencia, mientras que otros métodos pueden mejorar el rendimiento del sistema.Una buena solución que recomendamos es utilizar filtros activos WEG con convertidores de frecuencia de 6 pulsos.Esta es una excelente solución para eliminar los armónicos generados por varios dispositivos.
Finalmente, cuando la energía se puede regenerar a la red, o cuando múltiples motores son impulsados ​​por un solo enlace de CC, otra solución es atractiva.Es decir, se utilizan una unidad regenerativa de extremo frontal activo (AFE) y un filtro LCL.En este caso, el controlador tiene un rectificador activo en la entrada y cumple con los límites recomendados.
Para convertidores sin enlace CC, como los convertidores CFW500, CFW300, CFW100 y MW500 de WEG, la clave para reducir los armónicos es la reactancia de la red.Esto no solo resuelve el problema de los armónicos, sino que también resuelve el problema de que la energía se almacene en la parte reactiva del inversor y se vuelva ineficaz.Con la ayuda de la reactancia de la red, se puede utilizar un inversor monofásico de alta frecuencia cargado por una red resonante para obtener una reactancia controlable.La ventaja de este método es que la energía almacenada en el elemento de reactancia es menor y la distorsión armónica es menor.
Hay otras formas prácticas de tratar con los armónicos.Una es aumentar el número de cargas lineales en relación con las cargas no lineales.Otro método es separar los sistemas de suministro de energía para cargas lineales y no lineales de manera que haya diferentes límites de THD de voltaje entre 5% y 10%.Este método cumple con las recomendaciones de ingeniería (EREC) G5 y EREC G97 mencionadas anteriormente, que se utiliza para evaluar la distorsión de voltaje armónico de plantas y equipos no lineales y resonantes.
Otro método es usar un rectificador con una mayor cantidad de pulsos y alimentarlo a un transformador con múltiples etapas secundarias.Los transformadores de devanados múltiples con múltiples devanados primarios o secundarios se pueden conectar entre sí en un tipo especial de configuración para proporcionar el nivel de voltaje de salida requerido o para impulsar múltiples cargas en la salida, brindando así más opciones en distribución de energía y sistema de flexibilidad.
Finalmente, está la operación de accionamiento regenerativo del AFE mencionado anteriormente.Los variadores de frecuencia de CA básicos no son renovables, lo que significa que no pueden devolver energía a la fuente de alimentación; esto no es suficiente, especialmente porque en algunas aplicaciones, recuperar la energía devuelta es un requisito específico.Si es necesario devolver la energía regenerativa a la fuente de alimentación de CA, esta es la función del variador regenerativo.Se sustituyen los rectificadores simples por inversores AFE, pudiendo así recuperar energía.
Estos métodos brindan una variedad de opciones para combatir los armónicos y son adecuados para diferentes tipos de sistemas de distribución de energía.Pero también pueden ahorrar energía y costos significativamente en varias aplicaciones y cumplir con los estándares internacionales.Estos ejemplos muestran que siempre que se utilice la tecnología de inversor correcta, el problema de la no linealidad no será difícil de resolver.
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