We use our own and third-party cookies to improve browsing and provide content of interest.

In continuing we understand that you accept our Cookies Policy. You can modify the cookies storage options in your browser. Learn more

I understand

Filtres Actius: la qualitat de xarxa més versàtil


Les càrregues domèstiques i industrials contenen cada cop més circuits electrònics que s'alimenten de corrent que no es sinusoïdal pura. Així per exemple, els motors utilitzen cada cop més la regulació del freqüència, que requereix un pas de corrent altern (CA) a corrent continu (CC) i després de CC a CA. Com que el subministrament habitual és en CA, això implica un ús cada cop més intensiu de convertidors electrònics (rectificadors, onduladors, etc.) per realitzar aquestes transformacions CC-CA i CA-CC. El mateix succeeix amb càrregues tan habituals com ordinadors, enllumenat LED i de descàrrega, ascensors...

Des del punt de vista de la xarxa elèctrica, això es tradueix en que aquesta ha d'alimentar un gran nombre de càrregues que rectifiquen el corrent i per tant, la forma d'ona del corrent que consumeix resulta alterada, de forma que ja no és una ona sinusoïdal, sinó una superposició d'ones sinusoïdals amb freqüències múltiples de la freqüència de xarxa (harmònics). Les figures 1 i 2 mostren el consum típic d'una xarxa amb rectificadors monofàsics i una altra amb rectificadors trifàsics. Aquest tipus de corrents són les més abundants en instal·lacions com oficines, centres comercials, hospitals... i estan formades per una component de 50 o 60 Hz (freqüència fonamental de la xarxa) i una sèrie de components de freqüències múltiples en diferents percentatges. Aquests percentatges poden mesurar-se mitjançant un analitzador d'harmònics, així com la taxa de distorsió total, THD, que dóna la relació entre el valor eficaç de l'arrissat i l'eficaç de la component fonamental.

FA-red-mono FA-red-tri
 a) Xarxa monofàsica  b) Xarxa trifàsica

Fig. 1 .- Formes d'ona típiques de xarxes distorsionades

La conseqüència dels consums no sinusoïdals és que la tensió pateix també una certa distorsió, degut a les caigudes de tensió en les impedàncies de línies i transformadors. En els registres poden observar-se una lleu distorsió de la tensió en la xarxa monofàsica (THD baix) i una distorsió més forta en l'exemple trifàsic. En ambdós casos el corrent té formes molt diferents de la sinusoïdal amb valors de THD més alts.

Per regular el tema i limitar els nivells de distorsió de tensió en els punts d'enllaç dels abonats a la xarxa pública, existeixen una sèrie de normes internacionals que estableixen límits d'emissió d'harmònics per als equips i sistemes que s'hagin de connectar a la xarxa (Taula 1), la més important és la relativa a nivells de compatibilitat:

Taula 1.- Normes internacionals sobre límits d'emissió d'harmònics

Norma Descripció 
 IEC-61000-2-2 Compatibilitat electromagnètica (CEM). Part 2-2: Entorn. Nivells de compatibilitat per a les pertorbacions conduïdes de baixa freqüència i la transmissió de senyals en les xarxes de subministrament públic en baixa tensió.
 IEC-61000-2-4 Compatibilitat electromagnètica (CEM). Parte 2-4: Entorn. Nivells de compatibilitat per a les pertorbacions conduïdes de baixa freqüència en les instal·lacions industrials.
 IEC-61000-3-2 Compatibilitat electromagnètica (CEM). Parte 3-2: Límits. Límits per a les emissions de corrent harmònic (equips amb corrent d'entrada <= 16 A per fase)
IEC-61000-3-4 Compatibilitat electromagnètica (CEM). Parte 3-4: Límits. Limitació de les emissions de corrents harmònics en les xarxes de baixa tensió per a equips amb corrent assignat superior a 16 A.
IEC-61000-3-12 Compatibilitat electromagnètica (CEM). Parte 3-12: Límits per als corrents harmònics produïts pels equips connectats a les xarxes públiques de baixa tensió amb corrent d'entrada > 16 A i <= 75 A per fase.
IEEE-519-2014 IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems
G5/4-1  

Alguns conceptes clau sobre harmònics

Podem comprendre millor els problemes d'harmònics basant-nos en alguns conceptes bàsics, que s'han publicat en nombrosos articles i llibres i que resumim a continuació:

  1. L'origen dels problemes d'harmònics són els receptors que consumeixen corrents distorsionats (receptors anomenats "no linials")
  2. La propagació del problema a altres usuaris connectats a la mateixa xarxa depèn de la impedància de la xarxa i això depèn de la companyia distribuïdora. Aquesta impedància no acostuma a donar-se directament, però pot calcular-se a partir de la potència de curtcircuit disponible (a més potència de curtcircuit menor impedància)
  3. El propi usuari té una part de la xarxa de distribució fins arribar a la càrrega final. Així doncs, el problema que pot tenir a l'entrada de la seva instal·lació pot ser atribuït a una falta de potència de curtcircuit, però en molts casos el problema que pot tenir en punts allunyats de la connexió de servei, acostuma a ser a causa de les impedàncies de la pròpia instal·lació
  4. Ampliant el tema de la distorsió en punts allunyats de la connexió de servei, cal tenir el compte que la impedància de les línies té una component inductiva per metre dels cables, i això s'aconsegueix trenant i recargolant els cables de distribució (molts cops rebutjat pels instal·ladors per la falta d'estètica que representa)
  5. El problema de distorsió de la tensió en el punt PCC pot agreujar-se degut a ressonàncies entre els condensadors de compensació del factor de potència i la inductància de la xarxa de distribució (transformadors i línies)
  6. Les mesures correctores (filtres) han d'instal·lar-se el més aprop possible a les càrregues generadores dels harmònics

En resum, la solució del problema d'harmònics és una solució a dues bandes: per una banda l'usuari ha de limitar la quantitat de corrents harmònics que generen els seus receptors i ha de procurar distribuir dins de la seva planta amb baixa impedància per metre de línia. Per altra banda la companyia distribuidora ha de garantir un mínim de potència de curtcircuit i ha de vetllar per a que els usuaris no superin certs límits de distorsió, per no perjudicar els veïns que comparteixen amb ells la xarxa.

Quan els nivells d'harmònics generats per alguns receptors no són admisibles per al sistema de distribució que els alimenta, cal aplicar filtres de correcció. En aquest article ens centrarem a desenvolupar el tema del filtratge.

Límits de compatibilitat per harmònics

La presència d'harmónics a la xarxa té vàries conseqüències. Les més importants són les següents.

  1. Deteriorament de la qualitat de l'ona de tensió, afectant alguns receptors sensibles.
  2. Sobrecàrrega i possible ressonància paral·lela entre la inductància de línia i els condensadors de compensació de factor de potència (FP)
  3. Empitjorament de factor de potència. La capacitat de la xarxa per subministrar potència es veu disminuïda, obligant a sobredimensionar-la.
  4. Sobrecàrrega de cables i sobre tot de transformadors (augment molt significatiu de les pèrdues en el ferro)
  5. Problemes de disparament intempestiu de proteccions

Per evitar aquests fenòmens, les normes estableixen un mínim de qualitat de subministrament, que es fixa limitant els nivells màxims de distorsió en l'ona de tensió subministrada en el punt d'acoblament a la xarxa pública (PCC). Aquests límits s'anomenen límits de compatibilitat. La taula 1 ofereix un resum d'aquests límits en referència als harmònics en xarxes industrials de BT. Les diverses classes mencionades en la taula corresponen a:

  • Classe 1: Entorn industrial previst per a alimentació d'equips electrònics sensibles
  • Classe 2: Entorn industrial normal. Límits habituals per a xarxes públiques
  • Classe 3: Entorn industrial degradat (generalment per la presència de convertidors). No apte per a alimentació d'equips sensibles.

Taula 2.- Límits de compatibilitat: Harmònics de tensió (Un%) en xarxes industrials de BT (IEC-61000-2-4)

Ordre de l'harmònic
h

Classe 1
Un% 

Classe 2
Un% 

Classe 3
Un% 

2 2 3
3 5 6
4 1 1,5
5 3 6 8
6 0,5 0,5 1
7 3 5 7
8 0,5 0,5 1
9 1,5 1,5 2,5
10 0,5 0,5 1
>10 mult. de 2 0,2 0,2 1
11 3 3,5 5
13 3 3 4,5
15 0,3 0,3 2
17 2 2 4
19 1,5 1,5 4
21 0,2 0,2 1,75
>21 mult de 3 0,2 0,2 1
23 1,5 1,5 3,5
25 1,5 1,5 3,5
>25 no mult de 2 ni 3 0,2+12,5/h 0,2+12,5/h 5x√11/h
       
THD(V) 5% 8% 10%

Els harmònics de tensió són deguts a la caiguda de tensió que produeixen els harmònics de corrent sobre les impedàncies de la xarxa de distribució. Aquest fet s'il·lustra en la fig. 2. Així doncs, aconseguir aquests límits depèn de dos factors:

  1. Nivell d'emissió dels receptors: A major emissió, major distorsió deguda a la caiguda de tensió produïda pels corrents harmònics en la xarxa
  2. Impedància de la xarxa: A major impedància, major caiguda de tensió pel mateix valor d'emissió en els receptors

La taula 3 dóna els valors límit d'emissió en xarxes de baixa tensió, fixades per la norma EN-IEC-61000-3-4 per a connexions de servei on la potència instal·lada en elements pertorbadors no superi el valor (33xScc), on Scc és la potència de curtcircuit que correspongui a aquesta connexió de servei (Part proporcional de la potència de curtcircuit total que correspongui a la potència contractada).

FA-fig2

Fig.2  Esquema unifilar mostrant el deteriorament de l'ona de tensió degut a càrregues no linials

Taula 3.- Límits d'emissió per a Sequip< 33x Scc (EN-IEC-61000-3-4)

Harmònic h Corrent admissible
In/I1%
Harmònic h  Corrent admissible
In/I1%
 21,6 21 ≤ 0,6
10,7  23  0,9
7,2  25  0,8
9 3,8 27 ≤ 0,6
11 3,1 29 0,7
13 2 31 0,7
15 0,7 ≤ 33 ≤ 0,6
17 1,2    
19 1,1 Parells ≤ 8/n ó 0,6

En quines instal·lacions es necessiten els filtres actius?

Alguns dels problemes de pertorbacions que hem indicat anteriorment poden ser mitigats i corregits mitjançant filtres. Els filtres actius són la solució ideal per a instal·lacions amb gran quantitat de càrregues monofàsiques i trifàsiques, que siguin generadores d'harmònics i amb diferents règims de consum.

Els filtres actius són equips basats en convertidor amb modulació d'amplada de pols PWM. Poden distingir-se dos tipus: Filtres sèrie i filtres paral·lel. Habitualment per complir amb les normes IEC-61000-3.4 i IEEE-519 s'empren filtres paral·lel, el principi de funcionament dels quals consisteix en la injecció a la xarxa, en contrafase, dels harmònics consumits per la càrrega, mitjançant un ondulador. La fig. 9 il·lustra aquest principi de funcionament mostrant els corrents de càrrega, de filtre i de xarxa. Es veu que de la suma de ICÀRREGA + IFILTRE s'obté un corrent IXARXA que és sinusoïdal. La fig. 10 mostra un filtre actiu paral·lel i el seu esquema de principi.

FA-fig9

Fig. 9.- Principi de funcionament d'un filtre actiu paral·lel

L'evolució cap a equips complets per garantir la durabilitat

Els equips de filtratge han anat incorporant funcions complementàries per adaptar-se a les modificacions en les instal·lacions, ja siguin ampliacions o canvis de les màquines que poden precisar més filtratge de determinats harmònics o un equilibrat entre fases. També és útil disposar d'una compensació d'energia reactiva en aquests equips. 

FA-fig10

Fig. 10.- Gràcies a les comunicacions els filtres actius AFQ ajuden a millorar la gestió energètica

FA-fig11

Fig. 11.- Els filtres actius AFQ permeten prioritzar les funcions de les quals disposen aportant major flexibilitat

Per fer-ho els filtres actius AFQ de CIRCUTOR incorporen:

  • Multirang en tensions de funcionament, de 400, 440 i 480V, i multifreqüència (50/60 Hz). 230, 280 V sota comanda.
  • Comunicacions per a una millor gestió energètica de la instal·lació (Fig. 10).
  • Connexionat en el costat de xarxa o de la càrrega per a una major flexibilitat d'instal·lació.
  • Ajust de prioritat per filtrar harmònics, compensar reactiva i equilibrar fases (Fig. 11).
  • Filtratge selectiu de determinats harmònics.

La importància d'una bona instal·lació

Per aconseguir els millors resultats, convé disposar d'uns filtres com els AFQ que s'instal·len i gestionen de forma senzilla. Les funcions que més faciliten la posada en marxa són:

  • Posada en marxa en 3 passos: connectar, configurar, arrencar
  • Display tàctil per a una ràpida gestió (Fig. 12).
  • Alarmes com error de configuració, polaritat, temperatures, ressonància, tensions, sobrecàrrega, contactors, bus de continu, etc.

FA-fig12

Fig. 12.- La facilitat d'interacció i la posada en marxa intuïtiva faciliten la instal·lació dels filtres actius AFQ

Conclusions

La presència d'harmònics en les xarxes de distribució es cada cop major, causant una sèrie de problemes de deteriorament de la qualitat de l'ona de tensió, fent necessari un sobredimensionament de les instal·lacions i ocasionant pèrdues addicionals significatives. Al marge de que existeixen normes que limiten el consum d'aquests harmònics, resulta convenient el filtratge d'aquests harmònics, ja que permet optimitzar les seccions de cable, les potències dels transformadors de distribució i reduir les pèrdues en les instal·lacions i evitar pèrdues de producció.

La solució del problema passa per un disseny global i racional de filtres d'harmònics, com els filtres actius, la qual cosa permet solucionar el problema amb uns costos raonables i fàcilment amortitzables per l'estalvi en pèrdues, millora de la vida d'alguns components de les instal·lacions i optimització de la infraestructura de distribució (cables, canalitzacions, transformadors, etc.)


Contacteu amb nosaltres:
t. 93 745 29 00
 

circutor32x32

Contacte

CIRCUTOR, SA
Vial Sant Jordi s/n, 08232
Viladecavalls (Barcelona) Spain
Tel: (+34) 93 745 29 00
Fax (+34) 93 745 29 14

Servei d'Assistència Tècnica

(+34) 93 745 29 19

SAT