armónicos: rectificadores y compensadores...

Cuaderno Técnico nº 183

Armónicos: rectificadores ycompensadores activos

Eric BettegaJean Noël Fiorina

Cuaderno Técnico Schneider n° 183 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedades electrotécnicasy electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen una información específica omás amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto o noticias técnicas

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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Cuaderno Técnico no 183

Armónicos: rectificadores ycompensadores activos

Eric BETTEGA

Trabajó como Técnico en BE Electrónica ABT deMerlin Gerin, accediendo a la Dirección Científicay Técnica en 1986.En 1991 se diplomó como Ingeniero CNAM(Conservatoire National des Arts et Métieres).Actualmente está en la Dirección de Investigacióncomo responsable de los estudios relativos a los«compensadores activos».

Jean Noël FIORINA

Entró en Merlin Gerin en 1968 como técnico delaboratorio en el departamento ACS�Alimentación con Convertidores Estáticos�participando en la puesta a punto de estosequipos.En 1977, diplomado como Ingeniero del ENSERGvolvió a integrarse en el departamento ACS.Accedió a Ingeniero de desarrollo, y se encargóde diversos proyectos. Pasó a continuación a serresponsable de diseño del departamento EPS�Electricity Power Supply�. De alguna formapuede decirse que es el padre de los onduladoresde media y gran potencia.

Trad. J.M. Giró

Original francés: enero 2000Versión española: febrero 2000


Armónicos: rectificadores y compensadoresactivos

1 Las soluciones tradicionales 1.1 Reducir las corrientes armónicas de las cargas perturbadoras p. 5

1.2 Disminuir la impedancia armónica de la fuente p. 5

1.3 Actuar en la estructura de la instalación p. 5

1.4 «Encerrar» los armónicos p. 6

1.5 Utilización de inductancias anti-armónicos p. 7

1.6 Filtros pasivos de armónicos p. 7

2 Convertidores «limpios» y 2.1 Introducción p. 8convertidores activos 2.2 Convertidores «limpios» p. 9

2.3 El compensador activo «shunt» p. 13

3 Compensadores con estructura 3.1 La estructura híbrida «paralelo/serie» p. 19híbrida 3.2 La estructura híbrida «serie/paralelo» p. 20

3.3 La asociación en «paralelo» de filtros pasivos y p. 21compensador activo

3.4 Las prestaciones de las estructuras híbridas p. 21

4 Instalación de un compensador 4.1 Objetivo y contexto p. 24activo tipo «shunt» 4.2 El punto de insercción de un compensador «shunt» p. 25

4.3 El dimensionamiento de un compensador activo tipo «shunt» p. 26

4.4 Ejemplos de aplicación p. 27

5 Conclusión p. 29

Anexo: repaso de los fenómenos Definición y magnitudes p. 30armónicos Origen y transmisión p. 31

Las cargas deformantes p. 32

Efectos perjudiciales de los armónicos p. 32

Las normas y recomendaciones p. 34

Cada vez más, los receptores eléctricos de la industria, del sector terciario y hastadel doméstico son cargas deformantes (no lineales). Absorben corrientes nosenoidales y éstas, teniendo en cuenta las impedancias de los circuitos, deformanla onda senoidal de la tensión. Es la perturbación armónica de las redes. Estefenómeno es, hoy en día, preocupante porque produce muchos problemas.

Se invita al lector que no es un especialista en armónicos a empezar la lectura porel anexo; encontrará en él las bases necesarias para comprender las diversassoluciones clásicas y nuevas para minimizar o combatir los armónicos. En efecto,hay que conocer además de las magnitudes características, los elementosperturbadores, la influencia de los sistemas de alimentación y los efectos nocivos delos armónicos. En fin, hay que saber que existen los niveles de compatibilidadelectromagnética (con unos máximos aceptables) fijados por las normas.

Este Cuaderno Técnico tiene por objeto presentar los compensadores activos dearmónicos. Es una solución seductora, flexible, porque se adapta automáticamente,y que puede utilizarse en numerosas instalaciones como complemento osustituyendo otros remedios. Con todo, están las soluciones «tradicionales» que hayque conocer y utilizar.

En el primer capítulo se hace un repaso de estas soluciones clásicas.


1 Las soluciones tradicionales

Actualmente, cualquier técnico electricista debede conocer esta problemática, tanto parainstalar bien los elementos y materialesperturbadores, como para diseñar unainstalación nueva con un pleno conocimiento decausa.Las soluciones que siguen se presentan enfunción del objetivo propuesto y de que se tratede elementos perturbadores o sensibles.

1.1 Reducir las corrientes armónicas de las cargas perturbadoras

Estas soluciones consisten en utilizarcomponentes pasivos: inductancias,condensadores, transformadores... y/o cambiarel esquema de la instalación.En la mayor parte de casos, su misión esdisminuir la tasa de distorsión armónica (TDA),en tensión, a un nivel tolerable en undeterminado punto de conexión de diversascargas (cuadro de distribución, por ejemplo).

Aparte de la solución evidente que consiste enescoger materiales no perturbadores, es posiblelimitar las corrientes armónicas de ciertosconvertidores intercalando entre el punto deconexión y su entrada una inductancia, llamadade alisado. Esta disposición se utiliza sobretodo en rectificadores con condensador a la

entrada; esta inductancia puede estar entre lasopciones propuestas por el fabricante.Pero, atención, esta solución disminuye la tasaglobal de distorsión en tensión aguas arriba de lainductancia, pero la aumenta en los bornes de lacarga no lineal.

1.2 Disminuir la impedancia armónica de la fuente

En la práctica consiste en conectar el elementoperturbador directamente a un transformador dela mayor potencia posible, o en escoger ungenerador con baja impedancia armónica(anexo y figura 1).(Nota del traductor: TDA = tasa de armónicos,en todo el CT).Destaquemos que es preferible, desde el ladode la fuente, utilizar varios cables en paralelo,de sección menor, que uno solo.Si estos conductores son suficientementelargos, la inductancia aparente se divide por elnúmero de cables en paralelo.

Fig. 1: Añadir una inductancia aguas abajo o disminuirla impedancia de la fuente aguas arriba implica unadisminución de la TDA de la tensión en el puntoconsiderado.

1.3 Actuar en la estructura de la instalación

Hay que evitar conectar un receptor sensible enparalelo con cargas no-lineales o perturbadoras(figura 2).Cuando se tiene un equipo de gran potenciafuertemente perturbador, es aconsejablealimentarlo directamente desde untransformador MT/BT independiente.

TDH

Zs ZL

cargaperturbadora

E


Fig. 2: Una distribución en «Y» permite el desacoplamiento por las impedancias naturales y/o adicionales.

Consiste en limitar la circulación de losarmónicos a la parte más pequeña posible de lainstalación, con la ayuda de transformadoresde acoplamiento adecuados.Una solución interesante es la utilización detransformadores con el primario en estrella (sinneutro) y el secundario en zig-zag. Esteacoplamiento permite tener el mínimo dedistorsión en el secundario. En efecto, en estecaso, las corrientes armónicas de 3er orden nocirculan por el primario del transformador y laimpedancia Zs depende sólo de losarrollamientos del secundario. La inductancia esmuy baja: Uccx ≈ 1% y la resistencia se reducepoco más o menos a la mitad, comparada conla de un transformador ∆Y de la mismapotencia.La figura 3 y el cálculo que sigue permitenentender por qué las corrientes de pulsación3.k.ω no se encuentran en el primario deltransformador (corriente homopolar nula).Por ejemplo, la corriente que circula por elarrollamiento primario (N1), vale:

( )311

2 iiN

N-

siendo:

( ) ( )tk3seni k311 w== II

( ) ÷ø

öçè

æ p-w==

3

4tk3seni k333 II ,

i3 = I sen (3 k ω t) = i1

de donde:

( ) .0iiN

N31

1

2 =-

1.4 «Encerrar» los armónicos

En el caso de cargas trifásicas es posibleeliminar ciertos rangos de armónicos utilizandotransformadores o autotransformadores convarios secundarios defasados; esta disposiciónse usa, sobre todo, en el caso de rectificadoresde potencia.El más conocido de estos montajes es elrectificador constituido por dos puentes en serieo en paralelo, alimentados por un transformadorcon dos secundarios, uno en estrella y otro entriángulo. Esta disposición produce un defasajede 30 grados entre las tensiones de los dossecundarios. El cálculo muestra que losarmónicos de rango 6 k ± 1, con k impar, seeliminan en el primario del transformador. Losprimeros armónicos eliminados, que sonprecisamente los más importantes por suamplitud, son para k = 1, los armónicos 5º y 7º.Los primeros armónicos que se encuentran sonentonces el 11º y el 13º.Es posible generalizar esta propiedadaumentando el número de diodos y el número desecundarios del transformador o el número detransformadores, escogiendo correctamente losdefasajes relativos de cada uno de lossecundarios.

Fig. 3: Transformador con el secundario en zig-zag yatenuación del 3er orden.

N1

N1

N1

N2

N2

N2

N2

N1 i3 i1(i1- i3)

N2

N2

N2

i2

i3

perturbador

materialsensible

a) Solución a evitar

alimentaciónde perturbadores

red «limpia»

b) Solución preferible


Esta solución se usa mucho en el caso derectificadores de muy alta potencia,consiguiéndose fácilmente el reparto decorrientes entre las diversas ramas del puente.Se usa normalmente en los rectificadores paraelectrólisis (¡hasta 72 fases!).

Un caso especialmente interesante es el de losSAI conectados en paralelo. En efecto, en estecaso, los onduladores se reparten las corrientesde salida y los rectificadores que los alimentanabsorben corrientes idénticas.

Esta disposición consiste en proteger loscondensadores destinados a mejorar el factorde potencia colocándoles una inductancia enserie. Esta inductancia se calcula para que lafrecuencia de resonancia no corresponda conninguno de los armónicos presentes. Lasfrecuencias típicas de resonancia, para unafundamental de 50 Hz son: 135 Hz (armónicos2º y 7º), 190 Hz (armónicos 3º y 8º) y 225 Hz(armónicos 4º y 5º).

1.5 Utilización de inductancias anti-armónicos

Así, para la fundamental, la batería decondensadores puede asegurar su función demejora del cos ϕ, mientras que la granimpedancia de la inductancia limita la amplitudde las corrientes armónicas.Los escalones de condensadores deben detener en cuenta ciertas frecuencias deresonancia para priorizarlas.

Al revés que en el caso anterior, se trata aquíde utilizar un condensador en serie con unainductancia a la entrada para obtener laresonancia con un armónico de una frecuenciadada. Este montaje, puesto en derivación sobrela instalación, presenta una impedancia muybaja a la frecuencia de resonancia, y secomporta como un cortocircuito para elarmónico considerado. Es posible utilizarsimultáneamente varios conjuntos sintonizadosa frecuencias diferentes para eliminar variosrangos de armónicos.

1.6 Filtros pasivos de armónicos

Los filtros pasivos contribuyen además acompensar la energía reactiva de la instalación.Aunque aparentemente simple, este principioexige un cuidadoso estudio de la instalación,porque si el filtro se comporta perfectamentecomo un cortocircuito para la frecuenciadeseada, puede tener el riesgo de resonanciacon las otras inductancias de la red a otrasfrecuencias y correr el riesgo de que en lainstalación aumenten los niveles de armónicosque antes no eran perjudiciales (CuadernoTécnico n° 152).


En el capítulo anterior se han recordado lastécnicas y los sistemas pasivoscorrespondientes utilizados para reducir lasperturbaciones producidas por los armónicos.Todos estos sistemas modifican lasimpedancias, las razones de impedancias o seoponen a ciertas corrientes armónicas.Hay otros caminos para controlar la impedancia�que nosotros sin embargo nos guardaremosde calificar de «inteligentes»� que pasan por lautilización de los convertidores estáticos cadavez con mejores prestaciones, al ir incorporandolas constantes mejoras de los semiconductoresde potencia (tabla figura 4).Los IGBT han permitido el desarrollo industrialde convertidores de potencia (con muestreosenoidal) capaces de garantizar que noproduzcan pertubaciones en el punto deconexión, y después el desparasitaje de lasredes (con filtros compensadores activos).n el muestreo senoidal es una técnica quepermite a los convertidores estáticos absorberuna corriente muy próxima a una senoide y,además, con un cos ϕ próximo a la unidad. Esuna técnica muy interesante que cada vez seutilizará más.n el filtro activo:Un filtro activo es un dispositivo que utiliza, almenos, un convertidor estático para satisfacerla función de «compensación activa dearmónicos».Este término genérico agrupa por tanto unamultitud de sistemas, que se diferencian por:o el número de convertidores utilizados y suforma de asociación,o su tipo (fuente de tensión, fuente decorriente),o las leyes generales de regulación aplicadas(compensación en corriente o en tensión),o la adición eventual de componentes pasivos(incluso también filtros pasivos).Todos estos sistemas activos tienen en comúnel que todos generan tensiones o corrientes quese oponen a los armónicos creados por lascargas no lineales. La realización más típica esla que muestra la figura 5, que se suele calificarcomo de topología «shunt» (o «paralelo»). Suestudio detallado se hace en el tema 3º.El compensador activo tipo «serie» (figura 6)sólo se citará como recordatorio, porque se usamuy poco. Su misión es la de permitir la

2 Convertidores «limpios» y compensadores activos

2.1 Introducción

conexión de una carga sensible a una red conperturbaciones, para bloquear las fuentes detensiones armónicas que proceden de lasfuentes aguas arriba. Pero, de hecho, estasolución para anular las perturbaciones aguasarriba tiene poco interés, porque:o la «calidad» de la energía en el punto deconexión es, en la mayor parte de los casos,satisfactoria,o no es fácil la inserción de un módulo «enserie», por ejemplo, porque tendría que soportarlas corrientes de cortocircuito,

tecnología V A F (kHz)transistor

MOS 500 50 50Bipolar 1200 600 2

IGBT 1200 600 10tiristor

GTO 4500 2500 1

Fig. 4: Características típicas del uso desemiconductores de potencia en los convertidoresestáticos.

red

compensadoractivo

carga(s)

Fig. 5: El compensador activo tipo «shunt» produce unacorriente armónica que anula los armónicos de lacorriente del lado de la red.

Fig. 6: El compensador activo tipo «serie» produce unatensión armónica que garantiza una tensión senoidal enbornes de la carga.

red

compensadoractivo

carga(s)sensible(s)


o en una red es más eficaz actuar sobre lascausas mismas de la distorsión de la tensión(las fuentes de corrientes armónicas).Entre las numerosas variantes llamadas«híbridas», nos interesaremos másconcretamente en el tipo llamado «serie/paralelo», añadiendo compensadores activos ypasivos (figura 7), lo que tiene un gran interéspara la depuración de armónicos si se colocanlo más cerca posible de los convertidores degran potencia.Este Cuaderno Técnico no quiere serexhaustivo; intencionadamente pasaremos poralto muchas configuraciones, porque todos losotros sistemas no son más que variaciones deun mismo tema; en este documento sedescriben las soluciones básicas.Antes de presentar con más detalle losconvertidores «limpios» y los compensadoresactivos, es importante constatar que existe unacierta identidad tecnológica entre estos dosdispositivos. En efecto:n cuando el sistema de control del puenterectificador (que forma parte, por ejemplo, deuna etapa elevadora BOOST) hace circular unapequeña corriente simplemente para crear lafundamental, se habla de un muestreo senoidal,y el rectificador se califica de «limpio»,n cuando la referencia de corriente aplicada aeste mismo control es �por ejemplo� igual alcontenido de armónicos de la corrienteabsorbida por la carga no-lineal, entonces elrectificador consigue la anulación total de losarmónicos en el punto de conexión: se trata deun compensador activo.Así una misma configuración de potencia puedecumplir dos tipos de necesidades distintas queson la de no producir perturbaciones y la deeliminarlas; sólo se diferencia por la forma deplantear el sistema de control (figura 8).

red

compensadoractivo

carga(s)perturbadora(s)

filtro(s)pasivo(s)

Fig. 7: Compensador híbrido tipo «serie/paralelo».

redcarga

convertidor

control

a) convertidor «limpio»

b) compensador activo

red cargaperturbadora

controlconvertidor

Fig. 8: Convertidor «limpio» y compensador activo.

2.2 Convertidores «limpios»

Se trata de rectificadores, de cargadores debaterías, de variadores de velocidad paramotores de corriente continua o deconvertidores de frecuencia...; en todos ellos, elelemento directamente conectado a la red essiempre un «puente rectificador». Es este elmismo componente y, generalizando, la etapade entrada (potencia y control), el quedetermina el comportamiento en cuanto aarmónicos del sistema completo.Principio de muestreo senoidal (enmonofásica)Consiste en forzar a que la corriente absorbidasea senoidal. Los convertidores limpios utilizan

normalmente la técnica de modulación de anchode impulso, reconocida ordinariamente comoPWM (Pulse Width Modulation).Se pueden distinguir dos grandes familias,según que el rectificador actúe como una fuentede tensión, que es lo más frecuente, o como unafuente de corriente.n convertidor con fuente de tensiónEn este caso, el convertidor se comporta, conrespecto a la red, como una fuerzacontraelectromotriz, un «generador de tensiónsenoidal» (figura 9), y la corriente senoidal seobtiene intercalando una inductancia entre la redy la fuente de tensión. La modulación de la


tensión se obtiene por medio de un seguimientoencaminado a mantener la corriente lo máspróxima posible a la senoide que se quiereconseguir.Incluso si otras cargas no lineales aumentan latasa de distorsión de la tensión de red, laregulación puede actuar para proporcionar unacorriente senoidal.La frecuencia de las pequeñas corrientesarmónicas residuales es la frecuencia demodulación y sus múltiplos. Esta frecuenciadepende de las prestaciones de lossemiconductores que se utilizan (figura 4).n convertidor fuente de corrienteEl convertidor se comporta como un«generador» de corriente troceada. Pararestituir, al lado de red, una corriente senoidal,es indispensable un filtro pasivo relativamentegrande (figura 10).Este tipo de convertidor se utiliza enaplicaciones específicas, por ejemplo, paraproporcionar una corriente continuaperfectamente regulada.Principio de instalación de un «convertidorde tensión»Debido a su simplicidad de construcción, elesquema de la figura 11 es el másfrecuentemente utilizado (por ejemplo, algunosSAI de MG-UPS). Utiliza el principio degenerador de tensión.

El transistor T (que normalmente es detecnología MOS) y el diodo D forman elmodulador de tensión. La tensión (u) pasa así de0 a Vs, según el estado de conducción obloqueo del transistor T.Cuando el transistor T conduce, la corriente enla inductancia L no puede más que aumentar,puesto que la tensión v es positiva, y u = 0.Se tiene entonces:

0L

e

dt

di>=

Cuando el transistor T está bloqueado, lacorriente en L disminuye, con la condición deque Vs sea mayor que v, sucediendo que:

0L

Vse

dt

di<

-=

Esta condición necesita que la tensión Vs seamayor que la tensión de pico de v, es decir, elvalor eficaz de la tensión alterna multiplicado por

2 .

Si se cumple esta condición, es posible en todomomento hacer aumentar o disminuir la corrienteen L. Controlando respectivamente los tiemposde conducción y bloqueo del transistor T, es

Fig. 9: Esquema monofásico equivalente a unconvertidor de tensión por modulación de ancho deimpulso (PWM).

Fig. 10: Esquema monofásico equivalente a unrectificador de corriente por modulación de ancho deimpulso (PWM).

iL

red

L

F c.e.m.

t

+ E

0

- E

iL

F c.e.m.

iL

red

L

I

t

+ I

0

- I

iL


también posible forzar la variación en el tiempode la corriente en L.La figura 12 muestra cómo varía la corriente iLrespecto al valor de la referencia.Las diferencias de iL respecto a la senoide sontanto menores cuanto más cortos son lostiempos de conmutación de T, es decir, que lafrecuencia de corte es mayor. En este caso, lacorriente iL es muy próxima a la corrientesenoidal rectificada, y la corriente de línea i1 esentonces necesariamente senoidal.

La figura 13 representa la variación en el tiempoy el espectro de armónicos de la corrientegenerada por una unidad rectificadora «limpia»de un SAI de 2,5 kVA. El transistor es un MOS, yla frecuencia de corte es de 20 kHz.Los armónicos de la corriente absorbida estánmuy atenuados respecto a una alimentaciónconmutada que no utilice el sistema de controlpor «muestreo senoidal» y su nivel es mejor queel exigido por la norma.El filtrado de los rangos ≥ 20 kHz es sencillo y noresulta caro.

iL

i1

0

v

0

0

e1

0

t

Vs

0

u

e1

i1

iL L D

Tvred

bucle de regulación iL, Vs

u Vs

i

Fig. 11: Esquema de principio del rectificador monofásico con muestreo senoidal.

Visto desde la fuente, el convertidor se debede comportar como una resistencia: i1 senoidal en fase con e1 (cos ϕ = 1).Mediante el mando del transistor T, laregulación fuerza iL para que siga unareferencia de corriente de tipo senoidalrectificada con un rectificador de doble onda.Por este motivo, necesariamente, la forma dei1 es senoidal y está en fase con e1.Además, para mantener en la salida la tensiónVs a su valor nominal, la regulación actúasobre el valor medio de iL.


Montajes trifásicosEl esquema básico es el de la figura 14.Encontramos también aquí el montaje de lafigura 11, en el que la autoinducción está antesque el rectificador: el principio de funcionamientoes el mismo.El sistema de control gobierna cada rama depotencia, y fuerza a la corriente absorbida decada fase a seguir la muestra senoidal.Hoy en día no hay en el mercado convertidorestrifásicos de este tipo, porque su coste adicionales importante. La evolución de la normalizaciónpuede obligar a utilizarlos.

Fig.12: Variación de la corriente iL respecto a lareferencia.

t

u

treferencia iiL

Fig. 14: Rectificador trifásico con muestreo senoidal.

Fig. 13: Corriente aguas arriba de un rectificador monofásico «limpio» (SAI de 2,5 kVA - tipo PULSAR-PSX-).

red Vs

rango porcentaje valores típicos valormáximo de I1 sin muestreo medidosegún CEI senoidal1000-3-2 (Uccx = 1%)

3 14,65% 81% 8,03%5 7,26% 52% 2,94%7 4,90% 24% 3,15%9 2,55% 6% 1,65%11 2,10% 7% 1,09%13 1,34% 6% 1,07%

a) gráfica de tiempos b) descomposición del espectro


2.3 El compensador activo «shunt»

Principio de funcionamientoPodemos ilustrar el concepto de compensadoractivo «shunt» mediante una analogíaelectroacústica (figura 15). El observador nooye la fuente de ruido S si una fuentesecundaria S� genera un contra-ruido.Las ondas de presión generadas por el altavozson de la misma amplitud y en oposición defase respecto a las de la fuente: es el fenómenode las interferencias destructivas.

Esta comparación permite aclarar el conceptomismo del compensador activo «shunt»: elobjetivo es minimizar �o incluso anular� en elpunto de conexión los armónicos de la corriente(o de la tensión), inyectando una corriente (o unatensión) adecuadas (figura 16).Con la condición de que el dispositivo sea capazde inyectar en cada instante una corriente cuyacomponente armónica sea de la misma amplitudque la de la carga y en oposición de fase,entonces la suma algebraica de corriente en A

fuente primariade ruido S

fuente secundaria S'

micrófono de mando

control

micrófono de error

Fig. 16: Principio de compensación de la componente de armónicos mediante el compensador activo «shunt».

Fig. 15: Principio de contra-ruido acústico.

corriente de la fuente iF

iFA

corriente del compensador iH

iH

corriente de la carga iF+ iH

iF+ iH

cargano lineal acompensar

compensador activode armónicos

fuente


garantiza que la corriente entregada por lafuente es una senoide pura.La combinación de «carga perturbadora +compensador activo» constituye una cargalineal (en la que la corriente y la tensión estánrelacionadas por un coeficiente k). Este tipo dedispositivo resulta especialmente válido para ladepuración de las redes BT, sea el que sea elpunto de conexión escogido y el tipo de carga(porque este dispositivo se auto-adapta).Conseguimos así, según el nivel de inserción:n una compensación local: si el compensadorestá asociado a una carga no lineal,n una compensación general: si la conexiónse realiza �por ejemplo� a nivel del CuadroGeneral de BT de la instalación.El compensador activo «shunt» constituye portanto una fuente de corriente independiente dela impedancia de la red, y tiene lascaracterísticas intrínsecas siguientes:n su banda pasante es suficiente paragarantizar la supresión de las componentesarmónicas mayoritarias (estadísticamentehablando) de la corriente de la carga.

Típicamente, consideramos que el margen H2 -H23 es válido, porque cuanto más elevado es elorden, menor es la amplitud de los armónicos,n su tiempo de respuesta es tal que lacompensación de armónicos es efectiva no sóloen régimen estable, sino incluso en régimentransitorio «lento» (algunas decenas de ms),n su potencia permite atender los objetivos decompensación fijos, lo que no garantizanecesariamente la compensación total ypermanente de los armónicos generados porla(s) carga(s).Supuesto que se cumplan simultáneamenteestos tres objetivos, entonces el compensadoractivo «shunt» constituye un excelentecompensador, porque se autoadapta y no tieneriesgo alguno de interacción con la impedanciade la red.Hay que destacar también que la misión de estedispositivo no es poner en fase las componentesfundamentales de U y de I: la inserción de uncompensador activo no tiene ninguna influenciasobre el factor de potencia. Sin embargo, si lacarga a compensar es un «rectificadorpolifásico», sí que se consigue mejorarrealmente de forma apreciable el factor depotencia general, puesto que el factor dedeformación se acerca a la unidad y el cos ϕ deun rectificador (no controlado) es tambiénpróximo a la unidad. Pero se trata más de un«efecto secundario» que de un objetivoperseguido.A pesar de que el primer objetivo sea ladepuración de los armónicos, la propiaestructura puede asegurar la compensación delcos ϕ. En este caso, como parte de la corrientereactiva puede ser importante, hay que tenerlaen cuenta en el dimensionamiento del productoen corriente nominal.

Fig.18: Esquema del compensador activo «shunt» con almacenamiento capacitativo.

Fig.17: Estructura del principio de funcionamiento delcompensador activo «shunt».

C

fuente

referencias

monitorización Vcapa

medida y filtro

hacia lacarga

carga ymedida

filtro deentrada

onduladorreversible

control ymonitorización


Estructura del compensador activo tipo«shunt»El compensador shunt se descompone en dossubconjuntos (figura 17):n el de potencia: filtro de entrada, onduladorreversible y elementos de almacenamiento,n el de control: generación de las referencias,regulación de tensión y de corriente, control delseguimiento del convertidor.Respecto al convertidor con referencia senoidal,citado en el capítulo anterior, la diferenciaesencial está en el control y la toma demuestras para la referencia (porque la muestraya no es una senoide de 50 Hz). Si el elementode «almacenamiento» es un condensador ouna batería, la estructura del convertidor essimilar a la etapa de entrada del convertidor conmuestra senoidal (figura 18). También puedeusarse una inductancia (figura 19).En el marco de la gama SINEWAVE, MerlinGerin ha escogido el almacenamientocapacitativo, porque tiene mayor interés (enaspectos técnicos y económicos): bandapasante más ancha, filtro de entrada mássencillo.

Además, la estructura «capacitativa» estátécnicamente muy próxima a los onduladores oinversores.La electrónica de control y monitorizaciónTiene la misión principal de gobernar lossemiconductores de potencia y, para esto, debede:n controlar la carga de los condensadores (c)cuando se les aplica la tensión,n regular la tensión en los bornes de c,n generar y dar las órdenes de conducción ybloqueo del rectificador cuando funciona comoinversor, de tal manera que, en cada momento,el compensador activo produzca una corrienteque compense las corrientes armónicasperturbadoras (figura 16).Hay dos maneras de tratar la señal:n la primera se califica como de tiempo real, yse adapta especialmente a cargas convariaciones muy rápidas de su espectro dearmónicos. Puede utilizar el método llamado de«detección síncrona» o usar lastransformaciones de Clark,

Fig. 20: Compensador activo «shunt» asociado a un SAI. Gráficas intensidad-tiempo (carga 20%).

Fig.19: Esquema del compensador activo «shunt» con almacenamiento inductivo.

t

I

a) corriente de la carga (TDA = 80 %, Ieff. = 44 A)

t

I

b) corriente de la fuente (TDA = 4,6 %, Ieff. = 35 A)


Fig. 23: Compensador activo «shunt» con un variador de velocidad. Gráficas corriente / tiempo, a media carga.

características de la intensidad sin compensador activo sin compensador activoIeff (A) 44,1 35,2

Factor de cresta 1,96 1,52TDA (I) en % 80,8 4,6

Factor de potencia 0,65 0,86cos (ϕ1) 0,84 0,86

Ieff armónica (A) 27,7 1,6

t

I

a) corriente de la carga (TDA = 163 %, Ieff. = 25 A) b) corriente de la fuente (TDA = 22,4 %, Ieff. = 15,2 A)

t

I

Fig. 21: Espectro de corrientes de la fuente.

Fig. 22: Compensador activo «shunt» con un SAI: valores medidos.

03 5

compensador activo «shunt» con un SAI

valor relativo (% de la fundamental)

número o rangode armónico

7 9 11 13 15 17

10

20

30

40

50

60

70

I de la fuente, sin compensadorI de la fuente, con compensador


n la segunda se califica de tiempo diferido otiempo no-real y se adapta a cargas cuyacomponente de corrientes armónicasabsorbidas varía poco en 0,1 s. Utiliza elprincipio de análisis de frecuencias y se basa enla transformada rápida de Fourier. Este métodopermite dar un tratamiento global o selectivo delos armónicos de diversos órdenes.Ejemplo de prestaciones conseguidas conreceptores no linealesEn estos ejemplos los receptores no funcionana plena carga, porque la TDA (tasa de distorsiónarmónica) es mínima a plena carga. En elejemplo que sigue, la TDA es del 30% a plenacarga, en cambio, es del 80% con una carga del20%.

Fig. 25: Compensador activo «shunt» asociado a unvariador de velocidad: características de la corriente.

Fig. 26: Compensador activo «shunt» asociado a unvariador de velocidad con una autoinducción en línea:características de la corriente.

características con compensadorde la corriente activo y autoinduccióna plena carga en la línea

Ief (A) 57,6

Factor de cresta 1,46

TDA (I) en % 3,4

Ief armónica (A) 2

característicascompensador activode la corriente

a media carga sin con

Ief (A) 25,9 15,2

Factor de cresta 3,78 1,95

TDA (I) en % 163 22,4

Ief armónica (A) 21,7 3,3

n caso de un SAIUn compensador activo tipo «shunt» se conectaen paralelo sobre un SAI trifásico de 120 kVA.Las formas de la corriente (gráfica corriente-tiempo) son las de la figura 20. El espectro de lacorriente absorbida por la carga se ve en lafigura 21, que corresponde a una distorsiónarmónica del 80,8 %.La utilización del compensador activo «shunt»produce una gran atenuación de la TDA (I),reduciéndolo del 80% al 4,6%. La corrienteeficaz baja casi el 20%, y el factor de potenciaaumenta en un 30% (figuras 21 y 22).

Fig. 24: Compensador activo «shunt» con un variador de velocidad. Espectro de armónicos de la corriente de la fuente.

03 5

valor relativo (% de la fundamental)

orden o rangode armónico

7 9 11 13 15 17 19

10

20

30

40

50

60

I de la fuente sin compensador I de la fuente con compensador


n caso de un convertidor de frecuenciaSe conecta un compensador activo en paralelocon un variador de velocidad de un motorasíncrono de 37 kW de potencia funcionando amedia carga. Las formas de onda en función deltiempo son las de la figura 23, que correspondea una distorsión armónica del 163% para esacorriente de carga. La figura 24 muestra elespectro de armónicos de las corrientes de lafuente y de la carga.La instalación de un compensador activo«shunt» produce una gran atenuación de la TDA(I), reduciéndola en un 22,4%. La corrienteeficaz baja en un 40% (figura 24 y 25).Las prestaciones son menores que en el casoanterior (SAI) porque las fluctuaciones de lacorriente de línea son mucho más rápidas. En

este caso particular, ha sido conveniente añadir enla línea una autoinducción 0,3 mH. La tabla de lafigura 26 refleja bien un aumento de la eficacia.Se puede concluir que el compensador «shunt»es excelente para depurar de armónicos unaalimentación o una carga no lineal. De todosmodos, hay que aclarar:n que la compensación total, supuesto quefuera posible, no es necesariamente el objetivo,n que se adapta mal a redes de tensionessuperiores a 500 V,n que no tiene ningún efecto para depurar lasinterferencias que puedan existir aguas arribadel captador de corriente,n que consideraciones técnico-económicaspueden inducir a utilizarlos junto a componentespasivos; por ejemplo, junto a una autoinducción(figura 26) o a un filtro pasivo cargado, de losque se usan para eliminar los armónicos 3º ó 5º,(consiguiéndose una disminución significativa dela potencia del compensador «shunt»).


3 Compensadores con estructura híbrida

En cuanto a la eliminación de armónicos lasnecesidades son múltiples, porque se puedequerer garantizar:n que una carga perturbadora no afecte auna red «limpia»,n el correcto funcionamiento de una cargasensible (o una red sensible) en un entornoperturbado,n simultáneamente, los dos objetivos citados.El problema de la compensación de losarmónicos puede tratarse a dos niveles(exclusiva o complementariamente):n compensación «shunt» mediante una fuentede corriente situada aguas abajo del punto

considerado: es la solución «shunt» descrita enel capítulo anterior,n compensación «serie» con la instalación deuna fuente de tensión situada aguas arriba delpunto considerado.Las estructuras que en la siguiente parte de esteestudio llamaremos «híbridas» son las quecombinan las dos soluciones. En la figura 27hay un ejemplo de esta estructura.Utilizan simultáneamente los filtros pasivos y loscompensadores activos.Existen varias combinaciones posibles; aquí sepresentarán tres.

3.1 La estructura híbrida «paralelo/serie»

En el esquema de la figura 28 se representanlos principales subconjuntos de esta estructura,a saber:n uno o varios conjuntos de filtros pasivosresonantes (Fi) conectados en paralelo con la(s)carga(s) perturbadora(s),n un compensador activo, constituido por:o un acoplador magnético (Tr), cuyo primariose conecta en serie con el (los) filtro(s)pasivo(s),o un inversor (MUT), conectado en elsecundario magnético.El compensador activo se hace trabajar demanera que:

vch

ich(h1) ich(hn)

vcacompensador activo

filtro pasivo

cargaVs(hn)

Vs(h1)

Zs

Zf

fuenteIs

compensadoractivo

carga

Vfa

filtropasivo

Fi

MUT. Tr

Fig. 27: Compensadores híbridos activos/pasivos - ejemplo.

Fig. 28: Compensador híbrido llamado «serie/serie» -esquema unifilar.


Vfa = K x ISHdonde:Vfa: tensión en bornes de acoplador magnético,K : valor en «ohm», fijado para cada armónico,ISH: corriente armónica procedente de la fuente.En esta configuración, el compensador sólotrabaja sobre las corrientes armónicas y mejorala eficacia de los filtros pasivos:o evita la amplificación de tensiones armónicasaguas arriba a frecuencias de antirresonanciade los filtros pasivos,o atenúa mucho las corrientes armónicas entrela carga y la fuente al bajar la impedancia delconjunto (con filtro pasivo y compensadoractivo).Puesto que no es la totalidad de la corriente dered la que atraviesa el compensador activo, sus

3.2 La estructura híbrida «serie/paralelo»

dimensiones (y en especial las del acopladormagnético) pueden reducirse.Por tanto, esta estructura se adapta bien paratrabajar redes de tensión y potencia elevadas alasegurar la puesta en fase de las componentesfundamentales.Su principal inconveniente es que los filtrospasivos se diseñan en función de la naturalezade la carga, lo que obliga a hacer un estudioprevio.En fin, casi la totalidad de las tensionesarmónicas preexistentes (en la fuente) estánpresentes en el lado de la carga. En estesentido, esta configuración puede asemejarse aun compensador activo del tipo «shunt».

El esquema de la figura 29 indica que nosencontramos aquí los principales subconjuntosde la estructura anterior, con la única diferencia:el punto en que se conecta el primario delacoplador (en serie entre la fuente y la carga).La ley de mando del compensador activo no hacambiado, es decir, que el compensador activogenera una tensión que se opone a lacirculación de las corrientes armónicas hacia lafuente. Por tanto se comporta como unaimpedancia (cuyo valor K lo fija cada rango)para las frecuencias armónicas.De lo que se deduce que el filtrado pasivo esmucho más eficaz (porque la presencia de esta«impedancia» serie fuerza la circulación de lascorrientes armónicas desde la carga hacia losfiltros pasivos). Además, el filtro serie permiteaislar la carga de las componentes armónicaspreexistentes en la fuente e impide cualquiersobrecarga de los filtros pasivos.

Por todo ello, esta topología es de hecho la quemás frecuentemente se califica como de«aislador armónico», porque �en cierta forma� lafuente queda aislada de la carga perturbadorae, inversamente, permite evitar la sobrecarga deun filtro pasivo por una perturbación aguasarriba.Es conveniente destacar que esta topología creaproblemas de dimensionamiento y de proteccióndel acoplador magnético, porque:n por éste último circula toda la corriente de lacarga,n y porque, en caso de cortocircuito, lo sometea una onda de corriente de valores muyelevados.Una solución para estos problemas puede ser elutilizar un transformador con un arrollamientosecundario adicional (figura 30).La compensación se efectúa entonces por vía«magnética» por la acción directa del flujo.

Fig. 30: Compensador híbrido con inyección mediantetransformador.Fig. 29 : Compensador híbrido del tipo «serie/paralelo».

fuente Iscarga

Vc

filtropasivo Fi

Vs

compensadoractivo

Vfa

MUT.

Tr.

fuente carga

compensadoractivo

Is


3.3 La asociación en «paralelo» de filtros pasivos y compensador activo

Su principio consiste en conectar en «paralelo»uno o varios filtros pasivos sintonizados y uncompensador activo «shunt» (figura 31).Aquí además las acciones del compensadoractivo y del filtro pasivo se complementan.Puede ser interesante limitar (mediante latécnica FFT) la acción del compensador activosolamente a los rangos sobre los que no actúanlos filtros pasivos.Esta estructura permite, según los casos:n mejorar la compensación conseguida sólocon filtros pasivos,n limitar el número de rangos de los filtrospasivos,n mejorar las prestaciones sólo delcompensador activo (para una misma potenciaeficaz de dicho compensador).Sin embargo, esta combinación no permiteevitar las sobrecargas de los filtros pasivos nilos efectos de la antirresonancia con laimpedancia de la red.En resumen:Estas estructuras híbridas no tienen el carácter«universal» del compensador activo «shunt»,porque es necesario seleccionar los filtrospasivos (en términos de tipo, número de rango y

3.4 Las prestaciones de las estructuras híbridas

C.A.

FP1 FP2

carga

Fig. 31: Asociación en «paralelo» de compensadoractivo y filtros pasivos - principio.

frecuencia de resonancia), en función de lanaturaleza de las corrientes armónicasproducidas por la carga. Al poner uncompensador activo se reduce eldimensionamiento de los filtros pasivos y secompletan sus efectos.Al revés, el añadir a una instalación existente uncompensador activo de poca potencia permitemejorar la eficacia de los filtros pasivos yaexistentes.

Los prototipos han sido diseñados, realizados yprobados en colaboración con Electricité deFrance. Llevan dos baterías de filtros pasivosresonantes sintonizados con los rangos 5º y 11º(depuración de una carga del tipo SAI) ó 5º y 7º(carga del tipo variador).Los resultados de los ensayos que siguen serefieren a la asociación de dos compensadoreshíbridos con un convertidor de frecuencia(variador de velocidad para un motorasíncrono):Configuración «paralelo/serie»(figura 28)Las características del circuito de ensayo sedetallan en la tabla de la figura 32.Comentarios:Esta configuración no es adecuada para trataruna red con una gran tasa de perturbación de latensión aguas arriba; sin embargo susprestaciones «de corriente» son dignas deconsideración (el TDA (I) reduce del 35% al 9%)(figura 33).Por tanto, es especialmente válida para tratarredes con bajo nivel de perturbación armónicaaguas arriba o para los casos en los que esespecialmente difícil insertar un elemento enserie.

Características del circuitofuente 400 V, trifásica,

600 kVA, 5 %,TDA (Vs) < 1,5 %

carga 130 kW,carga 70 %,autoinducción de línea: 0,15 mH.

Medidas efectuadasTDA (Ich) 35 %

TDA (Is) 9 %TDA (Vch) 2 %

Fig. 32: Compensador «serie» - características yresultados.

Configuración «serie/paralelo»(figura 29)Las características del circuito de ensayo sedetallan en la tabla de la figura 34.Comentarios:Las prestaciones son también completamentesatisfactorias, incluso si la calidad de la tensiónde la fuente (TDA (u) muy débil) no permiteapreciar las prestaciones en términos deaislamiento. Sin embargo, el TDA de la corriente


de la fuente se mejora del 35% al 11% (figura35). La corriente en los filtros pasivospermanece constante, lo que demuestra elaislamiento respecto a la fuente. Los ensayoscomplementarios han demostrado que en casode que haya una gran distorsión aguas arriba(TDA (U) = 11%), la calidad de la tensión enbornes de la carga permanece buena(TDA(Ucarga) = 4,7%).Características de las soluciones activasHasta aquí hemos hablado de los filtros activosen serie y paralelo y de las estructurashíbridas...Para cerrar este capítulo, es interesante haceruna síntesis de las cualidades de las diversas«soluciones activas» para la lucha contra lasperturbaciones debidas a los armónicos. Latabla de la figura 36 permite constatar que,salvo en caso especial, el compensador activo«shunt» y el conectado en paralelo son lasmejores soluciones en baja tensión.

Características del circuitofuente 400 V, trifásica,

600 kVA, 5 %,TDA (Vs) < 1,5 %

carga 130 kW,carga 70 %,autoinducción de línea 0,15 mH.

Medidas efectuadas

TDA (Ich) 35 %TDA (Is) 11 %

TDA (Vch) 2,1 %

Fig. 34: Compensador híbrido llamado «serie/paralelo»- características y resultado.

Fig. 33: Compensador híbrido llamado «serie/paralelo» asociado a un variador de velocidad - variación de laTDA(Vcarga) y de la TDA(Is).

0sin filtro sólo filtro pasivo filtros pasivos y activos

1

2

3

10

20

30

40Is (en %)

Vc (en %)

TDA (Vcarga) TDA (Is)


Fig. 35: Compensador híbrido llamado «serie/paralelo» - asociado a un variador - valores de la TDA(Vcarga) y de laTDA(Is).

Fig. 36: Síntesis de la diversas «soluciones activas» para luchar contra las perturbaciones por armónicos.

Tipo de «serie» «shunt» híbrido híbrido híbridocompensador «paralelo» «paralelo/serie» «serie/paralelo»

Criterio

Diagrama de bloques

Actúa sobre Uarmónica/fuente Iarmónica/carga Iarmónica/carga Iarmónica/carga Iarmónica/carga,Uarmónica/fuente

Prestaciones +++ +++ +++ ++ ++

Dimensiones del C.A. fond. + arm. arm. arm. arm. fondo + arm.Impacto con cortocircuito fuerte ninguno ninguno ninguno fuerte

Inserción difícil sencilla sencilla sencilla difícilMejora del cos ϕ1 no posible sí sí sí

Capacidad de evolución no sí sí no noRiesgo de resonancia sin sentido sin sentido sí no no

Res. C.A. carga Res.

C.A.

carga Res.

C.A.

carga

F.P.

Res. carga

F.P.

C.A.

Res. C.A. carga

F.P.

⇒

⇒

0sin filtro sólo filtros pasivos filtros pasivos y activos

2

1

4

3

5

10

20

30

40

TDA(Is)TDA(Vcarga)

Is (en %)

Vcarga (en %)


4 Instalación de un compensador activo tipo «shunt»

Dejemos muy claro que nuestro primer objetivoaquí no es, en modo alguno, hacer una «guíade selección» de los diferentes tipos decompensadores de armónicos, tanto activoscomo pasivos, sino más bien, dar unos criteriosde dimensionamiento e inserción.Además, una guía de elección supondría quelas diversas soluciones descritas estándisponibles en forma de productos.Actualmente, tanto las soluciones«tradicionales» como las híbridas necesitan

estudios serios y una solución adaptada paracada instalación; sólo se comercializan loscompensadores activos «shunt» (queúnicamente necesitan un estudio simple).Según esto, nos centraremos concretamente enidentificar los principales parámetros que elposible usuario de compensadores activos debede conocer y tener en cuenta para poder llevar acabo por sí mismo una elección correcta.

4.1 Objetivo y contexto

Conocer los «mecanismos»La mayor dificultad de los fenómenos armónicoses, sin duda, lo poco que se ven: en efecto, siresulta normalmente fácil constatar unadegradación de la calidad de la onda (detensión y/o de corriente) en uno o en variospuntos, no es nada fácil resolver la funcióncombinatoria entre las diversas fuentes(autónomas o no), cargas y la topología de lared de distribución.Además, no es suficiente la intuición paraanalizar la asociación entre los fenómenosarmónicos (frecuentemente ignorados) y elfuncionamiento inadecuado (frecuentementealeatorio) que se observa en las redes.Conocer la red y su topologíaEl requisito preliminar se refiere, por tanto, alentorno de la red: la instalación de uncompensador requiere el conocimiento delconjunto de la red (fuentes, cargas, líneas,condensadores), y no sólo una visiónfragmentada y limitada únicamente a la zonaafectada. Este esquema unifilar es -en cualquiercaso- el primer elemento de nuestra «caja deherramientas».Inventariar los datos del estado de lainstalaciónEn esa misma «caja de herramientas»,habremos tenido el cuidado de colocar unanalizador de armónicos, que resultaindispensable para cuantificar la distorsiónarmónica en todos y cada uno de los puntos dela instalación ya existente.Identificar y definir las características de loselementos perturbadoresEs indispensable identificar el (o los)perturbador(es) mayoritario(s) y sus respectivos

espectros. Estos últimos pueden obtenersemidiendo o leyendo las especificaciones técnicasproporcionadas por cada fabricante.Definir el objetivo de la depuraciónEl segundo prerrequisito se refiere al objetivomismo de la acción que se pretende. Hay quesaber si se trata de poner remedio a lasdisfunciones que han aparecido o si lo que sepretende es adecuarse a las especificaciones dela empresa suministradora o incluso a losrequerimientos de un fabricante de un receptorno lineal. Este estudio debe de tener tambiénpresentes los cambios que puedan producirse enla red a corto plazo.Por ejemplo, en esta fase hay que poderidentificar (por lo menos):n el tipo de compensación (global o local),n el nivel de potencia en el nudo considerado,n el tipo de corrección necesaria (sobre lasdistorsiones de tensión y/o de corriente),n la necesidad de compensación de la energíareactiva.Hechos estos dos análisis, falta escoger quésolución se presenta como la mejor desde lospuntos de vista técnico y económico: suelenpresentarse varias alternativas técnicas para unmismo objetivo y lo más normal es que elproblema sea escoger en función de lasexigencias, puesto que cada instalación eléctricaes un caso particular.Por ejemplo, el aislamiento o el desacoplamientopor impedancia de las cargas perturbadoras esuna acción simple en una instalación nuevacuando se prevé en la fase de diseño. En unared que ya funciona provoca frecuentementedificultades inasumibles.


Por tanto, es evidente que la elección de unasolución «activa» (sea la que sea) no puedehacerse a priori, sino que es el resultado de unproceso de análisis en el que el precio delcompensador no es necesariamente la únicacausa importante.Los compensadores activos tienen grandesventajas respecto a los filtros pasivos. Pero noes necesariamente así en instalaciones

existentes ya equipadas con filtros pasivos.Después de un estudio puede ser una buenasolución el poner un compensador activo serie oparalelo.Mientras tanto y aprovechando la experienciaacumulada hasta aquí, vamos a tratar ahora dela instalación de un compensador activo«shunt», que es la solución más simple.

4.2 El punto de inserción de un compensador «shunt»

La figura 37 representa el principio de conexiónde un compensador activo «shunt». Suinserción en paralelo se hace, en este caso, enel cuadro BT de la instalación y la únicainteracción con la red a compensar es lainserción de los captadores de corriente.En cuanto a la inserción del compensadoractivo de armónicos, la depuración puedeanalizarse en cada uno de los niveles querepresenta el árbol de la figura 38. El modo decompensación puede calificarse de global(posición «A»), semi-global (posición «B»), olocal (posición «C»), según el punto deactuación elegido. Aunque es muy difícil darreglas absolutas, es evidente que si ladistorsión proviene de varios pequeñosreceptores, el «modo» será preferentemente elglobal; por el contrario, si hay un grangenerador de armónicos, la eficacia máxima seconseguirá con el «modo» local.

carga acompensar

compensadorde armónicosactivo «shunt»

corriente decompensación

armónica

red dealimentación

cuadro dedistribución

de BT

corrientearmónica acompensar

Fig. 37: Conexión de un compensador activo tipo «shunt»: principio.

La depuración localEl compensador activo «shunt» se conectadirectamente en bornes de la carga. Estesistema es el más eficaz si el número de cargases limitado y cada carga tiene una potenciasigniticativa respecto a la potencia global delconjunto. En otras palabras, es necesario quelas cargas tratadas sean las que más distorsiónarmónica produzcan en la instalación.Con esto se evita la circulación de las corrientesarmónicas por la red, lo que reduce las pérdidaspor efecto Joule en los cables y componentesaguas arriba (evitándose elsobredimensionamiento de cables ytransformadores) y por otra parte, se evita laperturbación de las cargas sensibles.Con todo hay que hacer notar que elcompensador activo «shunt» provoca undescenso de la impedancia de la fuente en elpunto de conexión y por eso mismo un ligero


aumento de la tasa de distorsión de corrienteentre el punto de conexión y la carga.La compensación semi-globalConectado en el cuadro de distribución de BT,el compensador activo actúa sobre variosgrupos de cargas. Las corrientes armónicascirculan entonces entre el cuadro de distribuciónde BT y las cargas de cada salida o toma.Esta forma de compensación es adecuada enlos casos de varias cargas perturbadoras depoca potencia cada una. Es el caso, porejemplo, de una planta de un edificio deservicios (con equipo de oficina y alumbrado).Permite también sacar provecho de lacompensación no algebraica entre cargas, acosta de un ligero aumento de las pérdidas porefecto Joule en cada una de las líneas dedistribución a las cargas.Nota: este tipo de compensación puede tambiénaplicarse a una sola toma, limitando entonces lacompensación a un único tipo de cargas (figura37).La compensación globalEste tipo de compensación contribuye más aque el punto de conexión o de acometidacumpla con las exigencias normativas delsuministrador de energía que a reducir lasperturbaciones internas de la red del cliente.Solamente el transformador (o lostransformadores) se benefician directamente dela compensación; sin embargo esta forma tieneuna gran importancia en el caso de plantas deenergía autónoma debido a las múltiplesinteracciones entre cargas perturbadoras ygrupos generadores con gran impedanciaarmónica.Empero, y comparando con la compensaciónlocal, este modo de compensación trae consigouna reducción en potencia del compensadorpuesto que se beneficia del aumento de lacompensación no algebraica entre las diversascargas perturbadoras que hay en el conjunto dela red.

compensadoractivo

AT

BT

A

B

C

cuadro generalde baja tensión

compensadoractivo


compensadoractivo

cuadroterminal

M M

Fig. 38: Los diversos puntos de inserción de uncompensador activo «shunt» - principio.

4.3 El dimensionamiento de un compensador activo tipo «shunt»

El factor principal del dimensionamiento de uncompensador activo tipo «shunt» es su potencia(o dicho con más propiedad, su corrienteeficaz):La corriente eficaz ICA RMS es la corriente que elcompensador es capaz de generar por sí mismode forma permanente.Otros factores característicos del compensadorson su banda pasante y su capacidaddinámica:

n la banda pasante del compensador se definepor nmín y nmáx que son los órdenes o rangosmáximo y mínimo de acción del compensadoractivo.Así se tiene:

( )( )å

=

=

÷øöç

èæ=

máx

mín

n

nn

nn

2CARMSCA .A II


n la capacidad dinámica de rastreo encorriente del compensador activo (que se

expresa en dt

di) es la capacidad del

compensador de seguir a una referencia quecambia muy rápidamente.

NB: estos dos últimos factores no afectan a lasdimensiones, puesto que son característicasintrínsecas del compensador y no un parámetroajustable.Elección del calibre nominal:Desde que se conoce el espectro de la corrientea depurar ICH, es posible determinar la corrientenominal del compensador activo IN CA RMS:

( )( )

.Amáx

mín

n

nn

nn

2CHRMSCAN å

=

=

³ II

Cumpliendo esta condición, ya es posiblecalcular la «nueva» tasa de distorsión encorriente (aguas arriba) después de la conexióndel compensador:TDA I (%) =

( )( ) ( )

( )

.%TDA1

mín

máx

nn

CH

nn

2n

n

1nn

2CH

2CH

I

II

I

å å=

=

¥®

+=

+

=

Esta fórmula se usa para determinar si elalcance teórico máximo del compensador escompatible con el objetivo fijado. Además, estecálculo puede simplificarse si se considera elcaso particular de los productos Merlin Gerin, enlos que nmín = 2 y nmáx = 23:

( )( )

( )1CH

n

24n

2CH n

%TDAI

I

I

å¥®

==

Además, el criterio de elección del calibrenominal enunciado antes debe de ponderarseteniendo en cuenta los siguientes hechosprácticos:n el espectro de armónicos de la mayor partede las cargas sólo es significativo entre losórdenes del 3º al 13º,n el objetivo de la inserción de uncompensador activo no es anular la TDA (I), sinosimplemente reducirla para que, por ejemplo,sea inferior al 8%,n un compensador activo puede escogerse deun calibre inferior a IN CA RMS, y funcionarentonces permanentemente en saturación(limitando continua y automáticamente sucorriente eficaz).Finalmente, el instalar en paralelo en un mismopunto de conexión varios compensadoresactivos es técnicamente posible y esta soluciónpuede ser interesante en caso de variación deuna red ya preequipada.

4.4 Ejemplos de aplicación

Reducción de las distorsiones de las líneasde distribuciónEn el caso de cuadros de distribución deedificios de gran altura o de gran superficie, elprincipal problema se debe a la longitud de laslíneas de las canalizaciones entre el punto deacometida (transformador AT/BT) y las cargas.En efecto, sea la que sea la calidad de la ondade tensión en el origen de la instalación, y seanlas que sean las precauciones que se hayantomado en las canalizaciones (sección de loscables, formas de hacer las derivaciones ...), ladistorsión armónica de la tensión vaaumentando con la altura y/o con la distancia!Por tanto, hay un punto a partir del cual ladistorsión de la tensión, de forma permanente,se puede considerar como no-admisible y lacompensación activa tipo «shunt» constituyeuna alternativa interesante para las solucionestradicionales (por ejemplo, aislamiento, con unacoplamiento idóneo, mediante untransformador BT/BT).

A título de ejemplo, consideremos el caso de unSAI trifásico que alimenta un conjunto de cargas«informáticas» en el extremo de una línea de60 m. Se tiene, a nivel de la carga, unadistorsión en tensión del 10,44% (entre fases), ydel 15,84% (entre fase y neutro). Estadegradación la producen combinadamente dosfactores:n la sensibilidad del SAI (con una regulaciónque no es del tipo «modulación de ancho deimpulso» PWM) a la característica no-lineal de lacorriente aguas abajo,n la característica principalmente autoinductivade la línea, que amplifica las distorsiones.La solución propuesta se representa en la figura39. Se basa en la inserción de un compensadoractivo tipo «shunt» lo más cerca posible de lascargas. Las prestaciones son entoncesplenamente satisfactorias respecto al objetivopropuesto: la TDA (U) pasa a ser del 4,9% entrefases y del 7,2% entre fase y neutro.


compensadoractivo

P2

arrancador

P1

L


BT

variador

n cargas informáticas

cable de conexión: 60 m/50 mm2

SAI no-PWM, Sn = 200 kVA

compensadoractivo

Fig. 40: Estación de bombeo - esquema.

Fig. 39: Tratamiento por medio de un compensadoractivo de la distorsión de tensión en el extremo de uncable de 60 m.

Asociación de un compensador activo«shunt» y componentes pasivos: efecto enlas tarifasUna estación de bombeo permite asegurar unapresión de agua constante en una red dedistribución de agua potable (figura 40). Paraconseguirlo, se ha instalado una motobomba P1con un regulador de velocidad con convertidorde frecuencia.En este caso concreto, el objetivo principal erala adecuación del espectro de corriente de lafuente respecto a las prescripciones delsuministrador de la energía. Sin unidad de filtro,el nivel de emisión de armónicos autorizado:n se sobrepasaba mucho en el armónico de 5ºorden,n y casi se alcanzaba en los armónicos deorden 7º y 11º.La solución escogida fue la combinación de lainserción de una autoinducción en la línea y laconexión de un compensador activo «shunt»; enla figura 41 se ven perfectamente los niveles decompensación conseguidos:n todos los órdenes de armónicos están muypor debajo de los límites de emisión permitidos,n la tasa global de distorsión en corriente sereduce en un 89%.Una ventaja especialmente valorada por elcliente es la reducción de potencia contratada(en Francia se mide en kVA).Este ejemplo demuestra claramente que laasociación de un compensador activo y unaautoinducción de alisado es especialmenteidónea ante un alto nivel de distorsión.


02 3 4 5 6 7 9 11 13

5

10

15

20

25

15 17

I permitido I sin compensación I con compensación

Fig. 41: Estación de bombeo - representación del espectro de corrientes armónicas.

5 Conclusión

Dada la existencia de gran abundancia decargas no lineales, la distorsión armónica en lasredes es un fenómeno que va en aumento. Susefectos no pueden pasarse por alto, puesto quela casi totalidad de los elementos presentes enlas redes se ven afectados.La solución más comúnmente utilizada hastaahora ha sido el filtrado pasivo. Actualmente, aesta solución, pesada y no exenta de riesgos,se le presenta una alternativa muy interesante:la utilización de compensadores activos.Estos dispositivos tienen una estructura del tipoconvertidor estático de potencia. Así, gracias ala evolución de los semiconductores de

potencia, los convertidores, que normalmenteeran productores de perturbaciones, se hanconvertido en unas unidades capaces decompensarlas con eficacia adaptándoseautomáticamente al régimen de armónicos.El compensador activo tipo «shunt», flexible ensu empleo, que se adapta por sí solo y queprácticamente no necesita estudios previos a suinstalación, es la solución ideal para lacompensación junto a una carga no lineal o en elcuadro de distribución de BT. Por otra parte, nose opone necesariamente a los filtros pasivos,con los que puede asociarse ventajosamente.


Anexo: repaso de la problemática de los armónicos

Definición y magnitudes características

Joseph FOURIER demostró que toda funciónperiódica no senoidal puede representarse poruna suma de términos senoidales cuyo primersumando, a la frecuencia de repetición de lafunción, se llama fundamental y los otros, afrecuencias múltiplos de la fundamental, sellaman armónicos.A estos términos, puramente senoidales, puedeunírseles eventualmente una componentecontinua.Fórmula de FOURIER

( ) ( )å¥=

=

jw+=n

1nn.tnsen2YnYoty

siendo:o Yo: valor de la componente continua,generalmente nula y considerada así para elresto de la explicación,o Yn: valor eficaz del armónico de orden n,o ω: pulsación de la frecuencia fundamental,o ϕn: defasaje de la componente armónica deorden n.Esta noción de armónico se aplica al conjuntode fenómenos periódicos, cualquiera que sea sunaturaleza, pero especialmente a la corrientealterna.Valor eficaz de una magnitud alterna nosenoidalHay una identidad entre la expresión usual deeste valor eficaz calculado a partir de laevolución en el tiempo de la magnitud alterna[y(t)] y la expresión calculada a partir de sucontenido de armónicos:

( ) åò¥=

=

==n

1n

2T

o

2 .YndttyT

1Yef

Destaquemos que, si hay armónicos, losaparatos de medida deben de tener una ampliabanda pasante (> 1 kHz).

Hay también otra definición que sustituye lafundamental Y1 por el valor eficaz total Yeff.Ciertos aparatos de medida la utilizan.Tasaindividual.

Tasa de distorsiónLa tasa de distorsión es un parámetro quedefine globalmente la deformación de lamagnitud alterna:

( ) .Y

Yn

100%TDA1

n

2n

2å¥=

==

Tasa individual de armónicosEsta magnitud representa la razón del valoreficaz de un armónico respecto al valor eficaz dela fundamental (Y1), según la definición usual, obien respecto al valor eficaz de la magnitudalterna (Yef):

( )1Y

Yn100%An = .

Espectro (de frecuencia)Es la representación de la amplitud de losarmónicos en función de su orden o rango; elvalor de los armónicos se suele expresar enporcentaje de la fundamental.Factor de potencia y cos ϕϕϕϕϕ1

Cuando hay armónicos, es importante noconfundir estos dos términos, que son igualessolamente cuando las corrientes y tensiones sonperfectamente senoidales.n el factor de potencia (λ) es la razón entrelas potencias activa P y aparente S:

.S

P=l

n el factor de defasaje (cos ϕ1) se refiere a lasmagnitudes fundamentales, por tanto:

cos 1 =P1

S1.

En régimen senoidal puro:cos ϕ1 = cos ϕ = λFactor de deformaciónSegún la CEI 146-1-1, es la razón entre el factor

de potencia y el cos ϕ1: 1cos j

l=n

Siempre es menor o igual a 1.Factor de crestaEs la razón del valor de pico respecto al valoreficaz de una magnitud periódica:

eficazY

picoYFc = .


Origen y transmisión

Cargas lineales y no linealesSe dice que una carga es lineal cuando hay unarelación lineal (ecuación diferencial lineal concoeficiente constante) entre la corriente y latensión o, dicho de otra manera más simple,una carga lineal absorbe una corriente senoidalcuando se alimenta con una tensión senoidal,pudiendo estar la corriente defasada unángulo ϕ respecto a la tensión.Cuando esta relación lineal no se cumple, sehabla de carga no-lineal. Ésta absorbe unacorriente no senoidal, por tanto con corrientesarmónicas, a pesar de estar alimentada por unatensión perfectamente senoidal (figura 42).Distorsión de tensión y distorsión de lacorrienteUn receptor no lineal provoca caídas de tensiónarmónicas en los circuitos que le alimentan.Esto hay que tenerlo presente para todas lasimpedancias aguas arriba hasta llegar a lafuente de tensión senoidal.Por tanto, un receptor que absorbe corrientesarmónicas tiene siempre una tensión no

senoidal en sus bornes. La tasa global dedistorsión armónica en tensión es la magnitudque caracteriza este fenómeno:

( )

( )

1

n

2n

2

U

nZn

100%TDA

å¥=

==

I

Fig. 42: Corriente absorbida por una carga no-lineal.

Fig. 43 : Impedancia de salida de la diversas fuentes de tensión en función de la frecuencia.

1F

0

I

U

0

50

100

150

50 250 500 750

razón de la impedancia de salidarespecto a la impedancia nominal de la carga

ondulador PWM

F (Hz)

Zs

Zc%

alternador X"d = 12 %

transformador Uccx = 4 %


donde:Zn es la impedancia total de la fuente a lafrecuencia del armónico n,In es el valor eficaz del armónico n.La deformación de la tensión es mayor cuandola carga es «deformante» y absorbe corrientesarmónicas de orden elevado (impedancia de lafuente inductiva 2 π.f1.n.L).Recordemos que la tasa global de distorsión dela corriente es:

100

n=

n=2n2

1

Para jerarquizar el comportamiento de losprincipales tipos de fuentes, la figura 43 muestrala variación de sus impedancias en función de lafrecuencia.Para más información, puede consultarse elCuaderno Técnico nº 159.Recordemos que los cables de gran secciónson, sobre todo, inductivos, y que los cables depoca sección tienen una resistencia que no sepuede pasar por alto.

Las cargas deformantes

La mayor parte de las cargas deformantes sonconvertidores estáticos.Pueden ser pocos y de gran potencia oabundantes y de poca potencia, por ejemplo:n las lámparas fluorescentes, los reguladoresde luz,n los ordenadores,n los aparatos electrodomésticos (televisores,microondas, encimeras de inducción, ...).

Actualmente, la causa principal del aumento dela distorsión de la tensión de las redes es laproliferación de aparatos de poca potencia.A título informativo, la figura 44 muestra laforma de onda de la corriente absorbida poralgunas cargas y la figura 45 da los valores delos espectros de los armónicos correspondientes(valores típicos).

Efectos perjudiciales de los armónicos

Efectos en los aparatos y sistemas de pocacorrienteLa distorsión armónica puede provocar:n el mal funcionamiento de ciertos aparatosque utilizan la tensión como referencia para elcontrol de los semiconductores o como base detiempos para la sincronización de ciertosequipos,n perturbaciones porque se crean camposelectromagnéticos. Así, cuando los conductoresde «baja intensidad» o de «transmisión de datos»están muy próximos a cables de gran potenciarecorridos por corrientes armónicas, pueden, porinducción, ser receptores de corrientes que

pueden provocar fallos en el funcionamiento de loselementos conectados a ellos,n por último, la circulación de corrientesarmónicas por el neutro provoca una caída detensión en el conductor; así, si el sistema depuesta a tierra del neutro es el TN-C, las masasde los diversos equipos no quedan a la mismatensión, lo que por su propia naturaleza provocaperturbaciones en los intercambios deinformación entre receptores «inteligentes».Además, hay circulación de corrientes por lasestructuras metálicas de los edificios y, portanto, creación de campos electromagnéticosperturbadores.

N° H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19

1 54 18 18 11 11 8 8 6 62 75 45 15 7 6 3 3 3 23 0 80 75 0 40 35 0 10 54 0 25 7 0 9 4 0 5 35 0 33 3 0 7 2 0 3 2

Fig. 45: Ejemplo del espectro de armónicos de las corrientes absorbidas por las cargas de la figura 44.


Fig. 44: Curvas de la corriente absorbida por diversas cargas no lineales.

1: Regulador de luz o de temperatura

2: Rectificador de una fuente dealimentación conmutada, por ejemplo:n de un ordenador,n de un electrodoméstico

3: Rectificador trifásico con entrada acondensador en la parte de corrientecontinua, por ejemplo, de un variador develocidad para motores asíncronos

4: Rectificador trifásico conautoinducción en el filtro en corrientecontinua, por ejemplo, de un cargador debatería

5: Rectificador trifásico conautoinducción de alisado en la entradade la alimentación de la corriente alternade red, por ejemplo, de un SAI de granpotencia

Tipo de convertidor Esquema Gráfica de corriente

0

e

e1

e1

i1

e1

i1

0

U

i

i

i1

e

i

u C

i

R

C

i1e1

e2

e3

i2

i3R

C

i1e1

e2

e3

i2

i3R

C

Lc

i1e1

e2

e3

i2

i3R


Efectos en los condensadoresLa impedancia de los condensadores disminuyeal aumentar la frecuencia. Por tanto, si latensión está deformada, por los condensadoresque se usan para la corrección del cos ϕcirculan corrientes armónicas relativamenteimportantes. Por otra parte, la existencia deinductancias en algún punto de la instalacióntiene el riesgo de que se produzca resonanciacon los condensadores, lo que puede haceraumentar mucho la amplitud de un armónico enlos mismos.En la práctica, hay que ir con mucho cuidado enno conectar nunca condensadores eninstalaciones que tengan una tasa de distorsiónarmónica superior al 8%.Efectos en los transformadoresLos armónicos producen pérdidas adicionalesen los transformadores:n pérdidas por efecto Joule en los bobinados,incrementadas por el efecto pelicular,n pérdidas por histéresis y corrientes deFoucault, en los circuitos magnéticos. Paravalorar de alguna forma todas estas pérdidas,hay una fórmula empírica normalizada (NFC 52-114) que permite calcular el coeficiente decambio de clase k que hay que aplicar a untransformador:

å¥=

=

+

=n

2n

6,12n nH1,01

1k

siendo

1

nnH

I

I=

.

Por ejemplo:si H5 = 25% ; H7 = 14% ; H11 = 9% ; H13 = 8%,el factor k es de 0,91.

Efectos en los alternadoresComo en los transformadores, los armónicosproducen pérdidas adicionales en los bobinadosy en el circuito magnético.Los armónicos producen también acoplamientospulsantes que provocan vibraciones ycalentamientos adicionales en losamortiguadores.Por último, siendo la reactancia subtransitoriarelativamente importante, la tasa de distorsiónarmónica en tensión aumenta rapidísimamentecuando aumentan las corrientes armónicas.En la práctica, se admite limitar la tasa dedistorsión armónica en corriente a un valorinferior al 20%, con un límite del 5% para cadaorden de armónico.Para valores mayores hay que consultar con losfabricantes viendo el espectro de corriente querealmente absorbe cada carga.Efecto en los cables y, en especial, en elconductor de neutroLas corrientes armónicas provocan pérdidasadicionales en los conductores, incrementadasademás por el efecto pelicular.Cuando las cargas monofásicas absorbencorrientes del 3er armónico y sus múltiplos, espeor todavía, porque sus corrientes están enfase y se suman en el conductor de neutro.Por ejemplo, con un 75% de armónico de 3er

orden, la corriente que circula por el neutro es2,25 veces la fundamental. En cambio, lacorriente en cada fase es solamente

25,175,01 2 =+ veces la fundamental.

Por tanto, cuando hay cargas no lineales, sedebe de prestar una atención especial aldimensionamiento del conductor del neutro. Eneste caso, el régimen de neutro TN-C estáabsolutamente desaconsejado.

Las normas y recomendaciones

La electricidad se considera un producto yespecialmente en Europa con la directiva del25 de julio de 1985. La norma EN 50160 definesus características principales en el punto deentrega de la energía al cliente de una redpública de BT y en concreto en cuanto a losvalores de las tensiones armónicas(corresponde a la clase 2 de la tabla de lafigura 47). Se trata del nivel o grado decompatibilidad en términos de compatibilidadelectromagnética (figura 46).Además de esta norma europea, la norma CEI1000 define los niveles máximos de los diversosórdenes de armónicos.

n Para las redes públicas BT: CEI 61000-2-2y las recomendaciones CIGRE (ConferenciaInternacional de Grandes Redes Eléctricas),n Para las redes públicas de MT y AT:proyecto de norma CEI para media tensión yrecomendaciones de la CIGRE,n Para las instalaciones industriales BT yMT: CEI 61000-2-4.A título ilustrativo, la tabla extraída de estanorma indica los niveles de compatibilidadarmónica en tres tipos de situaciones diferentes(clases) (figura 47).Para evitar alcanzar estos niveles, hay que fijarlos límites a las perturbaciones emitidas


(niveles de emisión) para cada uno de losaparatos o bien para un conjunto de elementosrespecto a su punto de conexión a la redeléctrica.En baja tensión y para los aparatos queabsorben una corriente inferior a 16 A, está lanorma CEI 61000-3-2 y, para los aparatos queabsorben una corriente superior a 16 A, elproyecto de guía CEI 61000-3-4.Para las aplicaciones industriales no hay norma,pero sí que hay una especie de consenso sobrelas etapas de la autorización de conexión a lared pública: siendo la primera la aceptaciónautomática para potencias bajas respecto a la

Fig. 46: Diversos niveles de perturbación para la coexistencia de equipos perturbadores (no lineales) y cargassensibles.

Niveles deperturbación

Armónico Clase 1 Clase 2 Clase 3de orden: (materiales y (redes públicas (para conexionado de

sistemas sensibles) e industriales) grandes perturbadores)2º 2 2 33º 3 5 64º 1 1 1,55º 3 6 86º 0,5 0,5 17º 3 5 78º 0,5 0,5 19º 1,5 1,5 2,510º 0,5 0,5 111º 3 3,5 512º 0,2 0,2 113º 3 3 4,5TDA 5% 8% 10%

Fig. 47: Tasa (en %) de las tensiones armónicas aceptables (compatibilidad).

Nivel de susceptibilidad: nivel a partir del cual se produce un mal funcionamiento de un material o unsistema.

Nivel de inmunidad: nivel de una perturbación soportada por un material o sistema.

Nivel de compatibilidad: nivel máximo especificado de perturbación que se puede alcanzar en unentorno o ambiente dados.

Nivel de emisión: nivel máximo permitido para un usuario en la red pública o para un aparato.

potencia contratada; la segunda, la aceptacióncon reservas (el que un único usuario nosobrepase los niveles del orden de la mitad delos niveles de compatibilidad); y por último, latercera, la aceptación, excepcional y provisionalcuando el nivel anterior se sobrepasa.Por último, para garantizar un buenfuncionamiento de los aparatos, es necesarioque éstos puedan soportar niveles deperturbación superiores a los niveles decompatibilidad indicados en la figura 47 en elcaso de que estos niveles puedan sobrepasarse,lo que se admite de modo transitorio; es su nivelde inmunidad.

0

armónicos: rectificadores y compensadores...

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