Control armónico en sistemas de potencia: selección y configuración del reactor

Con el rápido desarrollo de equipos industriales, centrales eléctricas de energía renovable y centros de datos, la contaminación armónica en los sistemas eléctricos se ha agravado cada vez más. Los armónicos no solo causan sobrecalentamiento de transformadores y envejecimiento del aislamiento de cables, sino que también pueden provocar accidentes graves como explosiones por resonancia de condensadores. Los reactores, como equipo fundamental para el control de armónicos, determinan directamente la eficacia de la mitigación mediante su selección y configuración. Este artículo explora cómo lograr un control armónico eficiente mediante la selección científica y la configuración sistemática, partiendo de los principios de supresión armónica e incorporando prácticas de ingeniería globales.

Contenido

1. Riesgos armónicos y principios de supresión de los reactores

● Generación y mecanismos destructivos de armónicos

Los armónicos son componentes de tensión o corriente con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental (50/60 Hz), generados principalmente por cargas no lineales como variadores de frecuencia (VFD), rectificadores y fuentes de alimentación para LED. Sus peligros incluyen:

(1)Sobrecalentamiento del transformador:Las corrientes armónicas causan pérdidas por corrientes parásitas y pérdidas parásitas. La fórmula de pérdida es:

     Resonancia:Cur armónicoLas resistencias interactúan con la reactancia del capacitor para formar resonancia, lo que lleva a una amplificación de voltaje o incluso a una falla del equipo.

● Principios básicos de la supresión de armónicos basada en reactores

Los reactores suprimen los armónicos a través de dos mecanismos físicos:

(1)Coincidencia de impedancia:Los reactores en serie aumentan la impedancia del sistema, alterando la trayectoria de las corrientes armónicas y dirigiéndolas hacia circuitos de filtro de baja impedancia. Por ejemplo, la reactancia inductiva de un reactor en serie () y reactancia del condensador () trabajan juntos para hacer que el sistema exhiba alta impedancia a armónicos específicos, evitando así su flujo hacia la red.

(2)Absorción de energía: Los reactores de filtro y los condensadores forman filtros LC, creando rutas de baja impedancia para los armónicos objetivo. Por ejemplo, un filtro de quinto armónico está diseñado con una frecuencia de resonancia de 5 Hz, donde la impedancia del circuito LC se minimiza, absorbiendo activamente las corrientes armónicas y convirtiéndolas en calor.

Caso de estudio: Una fábrica automotriz alemana instaló un filtro de quinto armónico (tasa de reactancia del 5%) en el lado de salida de un VFD, reduciendo la corriente de quinto armónico de 6 A a 5 A y disminuyendo el aumento de temperatura del transformador en un 120%.

2. Parámetros técnicos clave para la selección del reactor

● Selección de la tasa de reactancia y evitación de la resonancia

La tasa de reactancia (), la relación entre la reactancia inductiva del reactor y la reactancia capacitiva del condensador, determina la frecuencia de resonancia.

La frecuencia de resonancia se calcula como:

dónde es la frecuencia fundamental.

(1)Tasa de reactancia del 4% al 7%: Adecuado para suprimir armónicos de quinto orden y superiores (). Por ejemplo, una tasa de reactancia del 6% produce una frecuencia de resonancia de 204 Hz (que corresponde al armónico 4.08), evitando eficazmente los riesgos de resonancia del quinto armónico.

(2)Tasa de reactancia del 14 %:Se enfoca en escenarios de tercer armónico (3 Hz), como sistemas SAI en centros de datos. Aquí, la frecuencia de resonancia:

 lejos de la tercera frecuencia armónica.

● Diseño de capacidad de corriente y aumento de temperatura

(1) Capacidad actual:Los reactores deben soportar la tensión térmica adicional causada por las corrientes armónicas. La capacidad total de corriente debe satisfacer:

Por ejemplo, si la corriente fundamental es 100 A y la El quinto armónico representa el 5%, la corriente total es 20 A.

(2)Control del aumento de temperatura:Basado en la fórmula de pérdida resistiva del conductorLos reactores requieren:

–Clase de aislamiento:Materiales de aislamiento de clase B (≤80K), clase F (≤100K) o clase H (≤125K) para adaptarse a diferentes temperaturas ambientales.

–Estructura de enfriamiento:Refrigeración natural con carcasas de aluminio o refrigeración por aire forzado, adaptando el área de disipación térmica a la pérdida de potencia. Por ejemplo, un reactor de pérdida de 100 kW requiere un disipador de calor con una superficie ≥5 m².

3. Estrategias de configuración del reactor y principios físicos

● Selección de ubicación: centralizada vs. distribuida

(1)Configuración centralizada: Los reactores se instalan en el lado de baja tensión del transformador o en la barra colectora para aumentar la impedancia general del sistema y suprimir los armónicos. El principio consiste en aumentar la impedancia de la barra colectora (), dirigiendo corrientes armónicas hacia ramas de filtros de baja impedancia.

–Efecto: Suprime el 80% de los armónicos de banda ancha, pero no puede eliminar armónicos específicos.

(2)Configuración distribuida:Los reactores se instalan cerca de fuentes de armónicos (p. ej., salidas de variadores de frecuencia) para lograr una supresión armónica específica. El principio consiste en ajustar la impedancia local para bloquear las vías de inyección de armónicos.

–Efecto: Logra una supresión de hasta el 95% para armónicos característicos como el 5º y el 7º, pero requiere diseños personalizados para cada dispositivo.

● Sinergia de configuración en paralelo y en serie

(1)Reactores en paralelo: Compensan la potencia reactiva y mitigan las fluctuaciones de tensión. Su principio consiste en compensar la potencia reactiva capacitiva con corrientes inductivas, pero no filtran directamente los armónicos.

(2)Reactores en serie: Forme filtros sintonizados con condensadores que actúen como "absorbentes de armónicos" para frecuencias específicas. Por ejemplo, los parámetros LC de un filtro de quinto armónico satisfacen:

A 250 Hz, las impedancias del reactor y del condensador son iguales y opuestas, lo que minimiza la impedancia total y absorbe activamente las corrientes armónicas.

Caso de estudio: Un centro de datos de EE. UU. adoptó una solución de "reactor en serie del 7 % + filtro armónico de 5.º", reduciendo el THDv del 12 % al 2.8 % y mejorando el factor de potencia de 0.82 a 0.98.

Tabla comparativa de selección y configuración de reactores

En resumen

El control de armónicos se basa fundamentalmente en la adaptación de impedancias y la desviación de energía. Mediante la selección precisa del reactor (reactancia, clase de aislamiento) y la configuración sistemática (centralizada/distribuida, serie/paralelo), los armónicos se pueden suprimir eficazmente, evitando al mismo tiempo los riesgos de resonancia. Para los usuarios internacionales, las soluciones deben alinearse con las características de la red (capacidad de cortocircuito, condiciones ambientales): configuraciones centralizadas de baja reactancia para escenarios de alta capacidad de cortocircuito, mientras que el filtrado distribuido es ideal para la supresión precisa de armónicos característicos. De cara al futuro, con el auge de los filtros activos de banda ancha (AFE) y los reactores inteligentes, el control de armónicos entrará en una nueva era de soluciones adaptativas y predictivas.

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