Varios métodos de control de armónicos de potencia.

Actualmente existen tres métodos comúnmente utilizados de control de armónicos de potencia, filtrado pasivo, filtrado activo y compensación de potencia reactiva. Hablemos de las ventajas y desventajas de estos dos métodos así como del análisis de las perspectivas de mercado y los beneficios económicos. 6.1 Dispositivo de filtro pasivo de armónicos El filtro pasivo se compone principalmente de reactor y condensador. El dispositivo de filtro pasivo es de bajo costo, económico y simple, por lo que se usa ampliamente. Los filtros pasivos se pueden dividir en filtros paralelos y filtros en serie. 6.1.1 Filtro paralelo pasivo. La mayoría de los dispositivos de filtrado de armónicos existentes utilizan filtros paralelos pasivos. Se requiere un conjunto de filtros para cada frecuencia armónica. El uso de múltiples conjuntos de filtros da como resultado una estructura compleja y un mayor costo, y dado que el sistema habitual contiene componentes armónicos de una variedad infinita de frecuencias, es imposible filtrar todos los armónicos. No solo eso, debido a que la impedancia de los filtros paralelos a los armónicos es muy baja, la fuente de armónicos generalmente producirá corrientes armónicas más grandes y los filtros que resuenan a diferentes frecuencias interferirán entre sí. Por ejemplo, un filtro de séptimo armónico puede amplificar el quinto. armónico. Por lo tanto, si alguien compara las condiciones armónicas antes y después de instalar el filtro paralelo, encontrará que aunque la corriente armónica que afecta al sistema se reduce después de instalar el filtro, la suma de las corrientes armónicas en cada filtro y que ingresan al sistema es La corriente armónica generada por la fuente de armónicos es mucho mayor que la que había antes de instalar el filtro. Desde una perspectiva amplia, los componentes cuya frecuencia no es igual a la frecuencia de potencia son todos armónicos. Por lo tanto, la frecuencia de potencia es una frecuencia única, mientras que los armónicos tienen frecuencias infinitas. Se puede ver que los armónicos tienen una complejidad infinita. El método de utilizar filtros paralelos obviamente no puede manejar armónicos con componentes de frecuencia infinita. 6.1.2. Filtro en serie pasivo. Un filtro en serie LC compuesto por un inductor y un condensador en serie tiene un punto de resonancia en serie con una impedancia muy baja si construimos un filtro en serie con un punto de resonancia en serie en la frecuencia de potencia y lo configuramos. Conectándolos en serie en la línea se pueden filtrar todos los armónicos. Este es el filtro en serie presentado en este artículo. El filtro en serie está compuesto por un inductor y un condensador conectados en serie, y está conectado en serie entre la fuente de alimentación y la carga. Por lo tanto, la palabra "serie" en el filtro en serie tiene. un doble significado: uno significa inductancia y capacitancia, conexión en serie, otro significado significa que la conexión en serie se utiliza en un circuito. Los filtros en serie están conectados a todos los circuitos trifásicos. Dado que la impedancia del filtro de paso de banda en serie a la corriente fundamental es muy pequeña, pero la impedancia a la corriente armónica es muy grande, solo un conjunto de filtros puede filtrar todas las frecuencias. armonía. El filtro en serie tiene una impedancia extremadamente baja para corrientes en la frecuencia del punto de resonancia. Para corrientes que se desvían de la frecuencia del punto de resonancia, la impedancia aumenta cuanto mayor es la desviación, mayor es la impedancia. Para componentes de corriente con una frecuencia superior al punto de resonancia, la impedancia del inductor es dominante. Para componentes de corriente con una frecuencia inferior al punto de resonancia, la impedancia del condensador es dominante. Dado que los componentes armónicos suelen ser más altos que la frecuencia de la onda fundamental, el trabajo de filtrado de armónicos lo realiza principalmente el inductor. La función del condensador es compensar la impedancia del inductor a la onda fundamental de frecuencia de potencia. Dado que la función de filtrado de armónicos la realiza principalmente el inductor, cuanto mayor sea la inductancia, mejor será el efecto del filtrado de armónicos. Sin embargo, cuanto mayor sea la inductancia, mayor será el precio y mayor la pérdida. Por lo tanto, considerando el costo y la pérdida, se espera que cuanto menor sea la inductancia, mejor. Cuando la inductancia de onda fundamental del inductor es inferior al 50% de la impedancia de onda fundamental equivalente de la carga, no se puede lograr un buen efecto de filtrado (la impedancia de onda fundamental equivalente de la carga es la relación entre el valor efectivo de la fase de carga voltaje al valor efectivo de la corriente de fase). Por lo tanto, la inductancia de onda fundamental del inductor debe ser mayor que el 50% de la impedancia de onda fundamental equivalente de la carga. La selección de condensadores es diferente a la de los inductores. El número de vueltas del inductor se puede diseñar a voluntad, mientras que la tensión soportada del condensador solo tiene un número fijo de niveles y no se puede diseñar a voluntad. Por ejemplo, en los sistemas de distribución de energía de bajo voltaje, solo están disponibles condensadores de potencia con una tensión soportada de 230 V y 400 V. Dado que el capacitor está conectado en serie en el circuito, la corriente en el capacitor es la corriente de carga. Cuando el voltaje de trabajo real del capacitor es igual a su voltaje nominal, la corriente que fluye en el capacitor es igual a la corriente nominal del capacitor. condensador, y el condensador se utiliza por completo. Por lo tanto, cuando los condensadores del condensador cuestan menos cuando su voltaje de funcionamiento real es igual a su voltaje nominal. El costo real del filtro en serie consiste principalmente en el costo del inductor y el capacitor. La impedancia del inductor resonante en serie y del condensador a la onda fundamental es igual y la corriente es la misma, por lo que el voltaje de funcionamiento de la onda fundamental del inductor y del condensador es el mismo. Como se explicó anteriormente, cuando el voltaje de operación real del capacitor es igual a su voltaje nominal, el costo del capacitor es más bajo, por lo que el voltaje de operación real del inductor debe ser igual al voltaje nominal del capacitor.

El nivel de voltaje nominal del capacitor es mayormente equivalente al voltaje de la red. Si el voltaje de trabajo real del inductor es igual al voltaje nominal del capacitor, es equivalente a que la impedancia del inductor sea igual a la impedancia de la carga, y lo mejor. Se puede conseguir una relación calidad-precio. Sobre esta base, si se aumenta la reactancia inductiva del inductor, aunque se puede mejorar el efecto de filtrado, la mejora no es mucho, el costo del inductor aumenta y los condensadores deben conectarse en serie. y la relación rendimiento-precio disminuye. Por lo tanto, la reactancia inductiva de la onda fundamental del inductor es mayor que la carga, etc. El 200% de la impedancia de la onda fundamental efectiva no tiene importancia práctica. El efecto de filtrado disminuirá, el costo del inductor disminuirá, la capacidad del capacitor aumentará, por lo que el costo aumentará y la relación rendimiento-precio también disminuirá. Para obtener suficiente confiabilidad, el voltaje de funcionamiento real del inductor y el capacitor debe ser ligeramente menor que el voltaje nominal del capacitor. Cuando las corrientes armónicas fluyen desde la red externa y afectan el funcionamiento normal del equipo de carga en la red interna, conectar un filtro en serie entre la fuente de alimentación y el equipo de carga puede bloquear los armónicos y garantizar el funcionamiento normal del equipo de carga. Cuando los armónicos son generados por equipos de intranet y afectan el sistema, el equipo que genera armónicos es la fuente de armónicos. La conexión de un filtro en serie entre la fuente de armónicos y la fuente de alimentación puede reducir en gran medida la corriente de armónicos generada por la fuente de armónicos. Cabe señalar aquí: el filtro en serie reduce la corriente armónica generada por la propia fuente de armónicos, lo que equivale a reducir la contaminación generada por la fuente de contaminación, y es una solución permanente. Los filtros paralelos no pueden reducir los armónicos generados por las fuentes de armónicos, pero proporcionan un canal de baja impedancia para las corrientes armónicas para evitar que las corrientes armónicas contaminen el sistema. Esto equivale a contaminar primero y luego tratar, y es una solución temporal. No solo eso, debido a que la impedancia del filtro paralelo a los armónicos es muy baja, generalmente hace que la fuente de armónicos produzca corrientes armónicas más grandes. Cuando se conecta un filtro en serie entre la fuente de alimentación y la fuente de armónicos, la forma de onda del voltaje de entrada de la fuente de armónicos se distorsionará severamente. Esta distorsión de la forma de onda del voltaje hará que la corriente de la fuente de armónicos se acerque a una onda sinusoidal. Esta distorsión de la forma de onda del voltaje de entrada puede afectar el funcionamiento normal del circuito de control de la fuente de armónicos. Si el circuito de control no puede funcionar normalmente, la fuente de alimentación del circuito de control debe cambiarse al extremo frontal del filtro en serie. 6.2. Dispositivo de filtrado de armónicos activo El dispositivo de filtrado de armónicos activo se desarrolla sobre la base del dispositivo de filtrado pasivo. 6.2.1 Ventajas del dispositivo de filtrado activo El dispositivo de filtrado activo puede lograr una compensación oportuna sin agregar componentes capacitivos a la red eléctrica. Tiene un buen efecto de filtrado. Dentro de su rango de potencia reactiva nominal, el efecto de filtrado es del 100%. 6.2.2 Desventajas de los dispositivos de filtro activo. Los dispositivos de filtro activo están limitados por el desarrollo de componentes electrónicos de potencia que soportan voltaje y corriente nominal. Los dispositivos de filtro activo a veces no pueden resolver el problema de los componentes eléctricos y electrónicos. si la corriente instantánea es ligeramente mayor, el costo es extremadamente alto y su producción es mucho más complicada que un dispositivo de filtro pasivo, por lo que el costo es mucho mayor. Para un solo dispositivo de filtrado activo, el costo es extremadamente alto y los usuarios no pueden aceptarlo. En general, no están dispuestos a utilizar el filtrado activo. En cuanto al contenido de armónicos, no es necesario filtrarlo de manera demasiado limpia, siempre que no sea así. dañar otros aparatos eléctricos. 6.2.3 Principio del dispositivo de filtro activo El dispositivo de filtro activo se compone principalmente de componentes electrónicos de potencia para producir una corriente armónica con la misma frecuencia y amplitud que los armónicos del sistema, pero con la corriente de onda opuesta. 6.2.4 Ocasiones aplicables del dispositivo de filtro activo El principal ámbito de aplicación del filtro activo es el sistema de suministro de energía del sistema de control por computadora, especialmente el sistema de suministro de energía de edificios de oficinas y el sistema de suministro de energía de control por computadora de la fábrica. 6.3 Compensación de potencia reactiva Es muy fácil para las personas entender la potencia activa, pero no es fácil tener una comprensión profunda de la potencia reactiva. En los circuitos sinusoidales, el concepto de potencia reactiva es claro, pero cuando se incluyen los armónicos, todavía no existe una definición generalmente aceptada de potencia reactiva. Sin embargo, la comprensión de la importancia del concepto de potencia reactiva y la importancia de la compensación de potencia reactiva es consistente. La compensación de la potencia reactiva debe incluir la compensación de la potencia reactiva de las ondas fundamentales y la compensación de la potencia reactiva armónica. 6.3.1 Generación de armónicos y potencia reactiva Las cargas resistivas-inductivas representan una gran proporción de las cargas eléctricas industriales y domésticas. Los motores asíncronos, transformadores, lámparas fluorescentes, etc. son cargas resistivas-inductivas típicas. La potencia reactiva consumida por motores y transformadores asíncronos representa una alta proporción de la potencia reactiva proporcionada por el sistema eléctrico. Los reactores y las líneas aéreas del sistema eléctrico también consumen algo de potencia reactiva. Las cargas resistivas-inductivas deben absorber potencia reactiva para funcionar normalmente, lo cual está determinado por sus propias propiedades. Los dispositivos no lineales, como los dispositivos electrónicos de potencia, también consumen energía reactiva, especialmente varios dispositivos de control de fase.

Por ejemplo, los rectificadores controlados por fase, los circuitos de ajuste de potencia de CA controlados por fase y los convertidores de ciclo consumen una gran cantidad de potencia reactiva porque la corriente fundamental va por detrás de la tensión de la red durante el funcionamiento. Además, estos dispositivos también producirán una gran cantidad de corrientes armónicas y las fuentes de armónicos consumen potencia reactiva. La fase de corriente fundamental del circuito rectificador de diodos es aproximadamente la misma que la fase de voltaje de la red, por lo que básicamente no se consume potencia reactiva fundamental. Pero también genera una gran cantidad de corriente armónica y por tanto consume una cierta cantidad de potencia reactiva. En los últimos 30 años, la aplicación de dispositivos electrónicos de potencia se ha generalizado cada vez más, lo que los convierte en la mayor fuente de armónicos. Entre los diversos dispositivos electrónicos de potencia, los dispositivos rectificadores representan la mayor proporción. En la actualidad, casi todos los circuitos rectificadores de uso común utilizan circuitos rectificadores controlados por tiristores o circuitos rectificadores de diodos, entre los cuales los circuitos rectificadores de puente trifásicos y los circuitos rectificadores de puente monofásicos son los más comunes. La contaminación armónica y el retraso del factor de potencia producidos por circuitos rectificadores con cargas inductivas resistivas ya son familiares. El circuito rectificador de diodos que utiliza filtrado de condensadores en el lado de CC también es una fuente importante de contaminación armónica. La fase del componente fundamental de la corriente de entrada de este circuito es aproximadamente la misma que la fase del voltaje de la fuente de alimentación, por lo que el factor de potencia fundamental es cercano a 1. Sin embargo, el componente armónico de su corriente de entrada es muy grande, lo que provoca una grave contaminación en la red eléctrica y hace que el factor de potencia general sea muy bajo. Además, los dispositivos electrónicos de potencia, como los circuitos reguladores de potencia de CA controlados por fase y los convertidores de ciclo, también generarán una gran cantidad de corrientes armónicas en el lado de entrada. 6.3.2 Descripción general de la compensación de potencia reactiva La potencia reactiva es muy importante para el funcionamiento del sistema de suministro de energía y de la carga. La impedancia de los elementos de la red del sistema eléctrico es principalmente inductiva. Por lo tanto, en términos generales, para transmitir potencia activa, se requiere que el voltaje en el extremo emisor y en el extremo receptor tenga una diferencia de fase, que se puede lograr dentro de un rango bastante amplio, el voltaje en; Se requiere que ambos extremos tengan una amplitud pobre, esto sólo se puede lograr dentro de un rango muy estrecho. La mayoría de los elementos de la red no solo consumen energía reactiva, sino que la mayoría de las cargas también consumen energía reactiva. La potencia reactiva requerida por los elementos y cargas de la red debe obtenerse de algún lugar de la red. Obviamente, no es razonable y normalmente imposible que todas estas potencias reactivas sean proporcionadas por generadores y transmitidas a largas distancias. Un método razonable debería ser generar energía reactiva donde es necesario consumir energía reactiva, que es la compensación de energía reactiva. 6.3.3 Influencia de la potencia reactiva 6.3.3.1 El aumento de la potencia reactiva conducirá a un aumento de la potencia actual y aparente, aumentando así la capacidad de los generadores, transformadores y otros equipos eléctricos y la capacidad de los conductores. Al mismo tiempo, también es necesario aumentar el tamaño y las especificaciones de los equipos de arranque y control y de los instrumentos de medición de los usuarios eléctricos. 6.3.3.2 El aumento de la potencia reactiva aumenta la corriente total, aumentando así las pérdidas de equipos y líneas. Esto es obvio. 6.3.3.3 Aumentar la caída de tensión de líneas y transformadores Si hay un impacto en la carga de potencia reactiva, la tensión fluctuará violentamente, reduciendo gravemente la calidad del suministro eléctrico. 6.3.4 Funciones de la compensación de potencia reactiva Las principales funciones de la compensación de potencia reactiva son las siguientes: 6.3.4.1 Mejorar el factor de potencia del sistema de suministro de energía y de la carga, reducir la capacidad del equipo y reducir la pérdida de energía. 6.3.4.2 Estabilizar la tensión del extremo receptor de energía y de la red eléctrica y mejorar la calidad del suministro eléctrico. La instalación de dispositivos dinámicos de compensación de potencia reactiva en ubicaciones apropiadas en líneas de transmisión de larga distancia también puede mejorar la estabilidad del sistema de transmisión y aumentar la capacidad de transmisión. 6.3.4.3 En situaciones en las que las cargas trifásicas estén desequilibradas, como en los ferrocarriles electrificados, las cargas activas y reactivas de las tres fases podrán equilibrarse mediante una adecuada compensación de potencia reactiva.