¿Qué es un filtro activo de armónicos?
Un filtro activo es un equipo de electrónica de potencia que mide en tiempo real la corriente distorsionada que consume la instalación e inyecta en la red la corriente exactamente opuesta. El resultado es que, visto desde aguas arriba, el conjunto carga–filtro se comporta como una carga limpia.
La búsqueda de eficiencia en los sistemas eléctricos, tanto en baja como en media tensión, ha originado el empleo de dispositivos electrónicos de potencia. El objetivo siempre fue reducir la energía consumida mediante el recorte de las formas de onda de tensión o corriente. El objetivo se ha cumplido, pero esos recortes trajeron como consecuencia la generación de armónicos: ondas de tensión y corriente cuya frecuencia es múltiplo de la fundamental.
Debido al nivel de potencia que consumen, en la industria y minería se busca optimizar los recursos a través de diferentes sistemas, uno de ellos por ejemplo es el control de la velocidad de los motores, el cual ha permitido tener mayor eficiencia en los procesos. Actualmente, son los variadores de velocidad los equipos que realizan este control pero por estar construidos en base a dispositivos electrónicos de potencia, presentan la desventaja de inyectar armónicos al sistema. Todos los variadores de velocidad producen armónicos sin importar la marca o modelo, ya que los elementos constitutivos son básicamente los mismos. La diferencia en su generación armónica, radica en la disposición de sus componentes, la versatilidad de su instalación y en los requerimientos de la planta (6,12,18 ó 24 pulsos).
Los efectos de las armónicas en el sistema de potencia son variados, podemos dividirlos como efectos instantáneos (sobre los instrumentos de medición y los sistemas de comunicación) y efectos a largo plazo (perdidas adicionales en máquinas y transformadores, bancos de condensadores, etc.). Las consecuencias son múltiples, por ejemplo: daños en los equipos (menor tiempo de vida o su total inoperatividad); actuación inadecuada de los sistemas de protección (que puede ocasionar la desconexión de cargas importantes, lo cual conlleva a penalidades), etc.
Es por ello que se hace necesario contar con equipos que disminuyan el contenido armónico del sistema llevándolo a límites permitidos por las normas y recomendaciones evitando de esta manera daños a la instalación eléctrica y perdida de la vida útil de los equipos.
En Perú esos límites los fija la NTCSE: el THD de tensión no debe superar el 8% en Media y Baja Tensión ni el 3% en Alta y Muy Alta Tensión. Revise la guía de calidad de energía eléctrica para el detalle de tolerancias y métodos de medición.
Tensión y corriente: dos límites distintos
Es frecuente confundir ambos indicadores, y la distinción es la que define de quién es el problema. La distorsión de tensión es responsabilidad del suministrador y es la que controla la NTCSE. La distorsión de corriente la produce el propio cliente con sus cargas no lineales, y es la que un filtro activo corrige directamente. La referencia internacional habitual para acotarla es la IEEE 519, que fija la distorsión total de demanda (TDD) admisible en el punto de acople común según la robustez de la red:
| Relación Icc / IL | TDD máxima de corriente | Lectura práctica |
|---|---|---|
| < 20 | 5 % | Red débil frente a la carga: el margen es mínimo. |
| 20 – 50 | 8 % | Caso típico de una industria mediana. |
| 50 – 100 | 12 % | Red robusta respecto de la demanda del cliente. |
| 100 – 1000 | 15 % | Carga pequeña frente a la potencia de cortocircuito. |
| > 1000 | 20 % | La carga apenas perturba la red. |
Valores para sistemas de 120 V a 69 kV. Icc es la corriente de cortocircuito en el punto de acople común e IL la corriente de demanda máxima de la carga. Cuanto más fuerte es la red frente al cliente, más distorsión de corriente tolera sin degradar la tensión. Conviene contrastar siempre contra la edición vigente de la norma y contra lo pactado en el contrato de suministro.
Principio de funcionamiento
Un filtro activo toma como referencia la forma de onda de la corriente de la carga, la cual la mide mediante un transformador de intensidad. Esta señal es analizada por el sistema de control del filtro activo para separarla en tres grandes componentes (la corriente activa, la corriente reactiva y la corriente armónica).
Separadas esas tres componentes, el equipo genera mediante su puente de conmutación una corriente en contrafase con la armónica medida y la inyecta en el punto de conexión. La cancelación se recalcula ciclo a ciclo, de modo que el filtro sigue a la carga en lugar de estar sintonizado a una condición fija.
Filtro activo, banco detuned o filtro pasivo
Las tres tecnologías atacan problemas parecidos con compromisos muy distintos. Elegir mal no suele traducirse en un equipo que no funciona, sino en uno que resuelve el mes de la puesta en marcha y deja de servir cuando la planta cambia.
| Criterio | Filtro activo | Banco con reactancias (detuned) | Filtro pasivo sintonizado |
|---|---|---|---|
| Qué corrige | Armónicos, factor de potencia y desbalance, de forma simultánea o selectiva. | Factor de potencia; convive con los armónicos sin absorberlos. | Un orden armónico concreto, más aporte fijo de reactiva. |
| Respuesta ante cambios de carga | Automática y continua, en menos de un ciclo. | Por pasos, gobernada por el regulador. | Ninguna: la sintonía es fija. |
| Riesgo de resonancia | No lo tiene: no aporta capacitancia a la red. | Desplazado fuera del espectro por diseño. | Existe si cambia la red o el espectro de la planta. |
| Sobrecarga | Limita su salida al valor nominal; no se daña. | Sensible a sobretensión y a corriente armónica. | Puede absorber armónicos de otras instalaciones vecinas. |
| Inversión inicial | La más alta por kVAR equivalente. | Intermedia. | La más baja. |
| Cuándo elegirlo | Espectro variable, cargas electrónicas dominantes, exigencia de TDD. | Corrección de facturación en redes con distorsión moderada. | Un armónico dominante, estable y bien caracterizado. |
Cuando el objetivo es únicamente eliminar el cargo por reactiva y la distorsión es moderada, la compensación reactiva con banco de condensadores suele ser la solución proporcionada. El filtro activo se justifica cuando además hay un problema de armónicos que resolver.
Funcionalidades de los filtros activos
- Los filtros activos son equipos que pueden configurarse para filtrar armónicos por orden especifico (5th, 7th, 11th, 13th…).
- Capacidad de corrección por equipo: 50, 100, 200 y 300 amperios.
- Tensión: 208 - 690 Vca alimentación trifásica, otras tensiones mediante transformador.
- Compensación de armónicos: del armónico 2 al armónico 50, cancelación de espectro total; incluye interarmónicos.
- Compensación reactiva: corrección del factor de potencia, cos ϕ próximo a la unidad, umbral seleccionable.
- Normas: Certificación CE, UL, cUL, CSA, ABS, C-Tick.
- Comunicación: Modbus TCP/IP o Ethernet IP.
- Interfaz hombre-máquina: pantalla gráfica con control de pantalla táctil.
- Funcionalidad: reducción de armónicos o corrección del factor de potencia, de forma independiente o combinados.
- Adaptación automática progresiva a los cambios de carga.
- Adecuado para todos los tipos y combinaciones de cargas no lineales.
- Respuesta ultrarrápida a <1 ciclo.
- Reducción de THDi a aproximadamente 1/10 de red THDi.
- Rápida inyección de corriente reactiva en 100 μSeg.
Instalación de los filtros activos
En las redes de baja tensión la ubicación depende del objetivo que se persiga: el filtro puede colocarse en cada derivación para actuar sobre cargas específicas, o de manera global para compensar las corrientes armónicas y el factor de potencia en barra.
La conexión es siempre en paralelo, lo que tiene una consecuencia operativa importante: el filtro no está en el camino de la energía. Si el equipo sale de servicio, la carga sigue alimentada —con su distorsión original, pero alimentada—, a diferencia de una solución serie, cuya falla deja el proceso detenido.
La ubicación de los transformadores de corriente decide el resultado. El filtro corrige lo que sus TC le permiten ver. Unos TC mal ubicados o con la polaridad invertida hacen que el equipo compense la carga equivocada, o que agrave la distorsión en lugar de reducirla. Es la causa más común de una puesta en marcha que no alcanza el THD prometido.
Cómo dimensionamos un filtro activo
El dimensionamiento no se hace sobre la potencia de la planta sino sobre la corriente armónica a cancelar, que sólo se conoce midiendo. Un equipo elegido por regla de tres sobre los kVA del transformador queda corto o sobredimensionado casi siempre.
- Campaña de medición. Registro del espectro armónico, del diagrama de carga y del factor de potencia durante al menos siete días continuos, cubriendo todos los turnos y los arranques.
- Cálculo de la corriente armónica. A partir del espectro se determina la corriente eficaz de armónicos a compensar y la reactiva necesaria si además se corregirá el factor de potencia.
- Definición del objetivo. TDD a alcanzar en el punto de acople y factor de potencia objetivo, contrastados contra la NTCSE y contra lo que exija el contrato de suministro.
- Selección del equipo y la topología. Capacidad en amperios, cantidad de unidades en paralelo, ubicación (global o por derivación) y estrategia de reparto entre compensación armónica y reactiva.
- Verificación posterior. Una segunda campaña de medición confirma el THD y el factor de potencia alcanzados y deja constancia documental del resultado.
Aplicaciones de los filtros activos
- Plataformas petrolíferas.
- Grúas para puertos.
- Acerías.
- Tratamiento de Aguas/ Aguas residuales.
- HVAC.
- Plantas de procesamiento.
- Tratamiento del papel (papeleras).
- Parques eólicos y solares.
- Ascensores y telecabinas.
- Barcos.
- Soldadoras de arco.
- Trituradoras.
- Hornos de arco.