Cómo reducir el voltaje no sinusoidal

Varios consumidores de electricidad tienen una dependencia no lineal del consumo de corriente del voltaje aplicado, por lo que consumen una corriente no sinusoidal de la red... Esta corriente que fluye desde el sistema a través de los elementos de la red provoca un no -caída de tensión sinusoidal en ellas, que se "superpone" a la tensión aplicada y distorsiona. La distorsión de voltaje sinusoidal ocurre en todos los nodos desde la fuente de alimentación hasta el receptor eléctrico no lineal.

Las fuentes de distorsión armónica son:

• hornos de arco para la producción de acero,

• convertidores de válvulas,

• transformadores con características no lineales de voltios-amperios,

• convertidores de frecuencia,

• hornos de inducción,

• máquinas eléctricas giratorias,

• alimentado por convertidores de válvulas,

• receptores de televisión,

• Lámparas fluorescentes,

• lámparas de mercurio

Los últimos tres grupos se caracterizan por un bajo nivel de distorsión armónica de los receptores individuales, pero un gran número de ellos determina un nivel significativo de armónicos incluso en redes de alta tensión.

Ver también: Fuentes de armónicos en redes eléctricas y Razones para la aparición de armónicos más altos en los sistemas eléctricos modernos

Las formas de reducir el voltaje no sinusoidal se pueden dividir en tres grupos:

a) soluciones en cadena: distribución de cargas no lineales en un sistema de bus separado, distribución de cargas en diferentes unidades del SES con la conexión de motores eléctricos en paralelo con ellos, agrupación de convertidores según el esquema de multiplicación de fase, conexión del carga a un sistema de mayor potencia,

b) uso de dispositivos de filtrado, inclusión en paralelo de la carga de filtros de resonancia de banda estrecha, inclusión de dispositivos de compensación de filtro (FCD);

c) el uso de equipos especiales caracterizados por un nivel reducido de generación de armónicos superiores, uso de transformadores "no saturados", uso de convertidores multifásicos con características energéticas mejoradas.

Desarrollo base elemental de la electronica de potencia y los nuevos métodos de modulación de alta frecuencia llevaron a la creación en la década de 1970 de una nueva clase de dispositivos, mejorar la calidad de la electricidad – filtros activos (AF)... Inmediatamente surgió la clasificación de los filtros activos en serie y paralelo, así como fuentes de corriente y tensión, lo que dio lugar a cuatro circuitos principales.

Cada una de las cuatro estructuras (Fig. 1.6) determina el circuito de filtro a la frecuencia de operación: los interruptores en el convertidor y el tipo de interruptores (interruptor de dos vías o unidireccional). Como dispositivo de almacenamiento de energía en un convertidor que sirve como fuente de corriente (Fig. 1.a, d), se utiliza inductancia, y en el convertidor, que sirve como fuente de voltaje (Fig. 1.b, c), se usa capacitancia.

Figura 1.Los principales tipos de filtros activos: a — fuente de corriente paralela; b — fuente de tensión paralela; c — fuente de tensión en serie; d — fuente de corriente en serie

Se sabe que la resistencia del filtro Z a la frecuencia w es igual a

Cuando ХL = ХC o wL = (1 / wC) a la frecuencia w, resonancia de voltaje, lo que significa que la resistencia del filtro para la componente armónica y de tensión con frecuencia w es igual a cero, en este caso las componentes armónicas con frecuencia w serán absorbidas por el filtro y no penetrarán en la red. El principio de diseño de filtros resonantes se basa en este fenómeno.

En redes con cargas no lineales, por regla general, surgen armónicos de la serie canónica, cuyo número de orden es ν 3, 5, 7,. … ..

Figura 2. Circuito equivalente de un filtro de resonancia de potencia

Teniendo en cuenta que XLν = ХL, ХCv = (XC / ν), donde XL y Xc son las resistencias del reactor y del banco de condensadores a la frecuencia fundamental, se obtiene:

Un filtro que, además de filtrar armónicos, generará Poder reactivo, y compensa la pérdida de energía y el voltaje de la red, se denomina filtro de compensación (PKU).

Si un dispositivo, además de filtrar armónicos más altos, realiza las funciones de equilibrio de voltaje, dicho dispositivo se llama equilibrio de filtro (FSU)... Estructuralmente, los FSU son un filtro asimétrico conectado al voltaje de línea de la red. La elección de la tensión de línea a la que se conectan los circuitos de filtro de la FSU, así como las relaciones de potencia de los condensadores incluidos en las fases del filtro, están determinadas por las condiciones de equilibrio de tensión.

De lo anterior se deduce que dispositivos como PKU y FSU actúan simultáneamente sobre varios indicadores de calidad de energía (no sinusoidal, asimetría, desviación de tensión). Dichos dispositivos para mejorar la calidad de la energía eléctrica se denominan dispositivos de optimización multifuncional (MOU).

La conveniencia en el desarrollo de tales dispositivos surgió debido al hecho de que repentinamente cargas variables del tipo hornos de arco de acero causar distorsión de voltaje simultánea para una serie de indicadores. El uso de MOU brinda la oportunidad de resolver de manera integral el problema de garantizar la calidad de la electricidad, es decir, simultáneamente para varios indicadores.

La categoría de tales dispositivos incluye fuentes de energía reactiva estática (IRM) de alta velocidad.

De acuerdo con el principio de regulación de la potencia reactiva, IRM se puede dividir en dos grupos: fuentes de potencia reactiva estática de alta velocidad de compensación directa, fuentes de potencia reactiva estática de alta velocidad de compensación indirecta... Las estructuras de IRM se muestran en la Figura 3 , a, b, respectivamente. Dichos dispositivos, que tienen una alta velocidad de respuesta, pueden reducir las fluctuaciones de voltaje. El ajuste paso a paso y la presencia de filtros proporcionan equilibrio y reducción de niveles armónicos más altos.

En la Fig. 3, se presenta un circuito de compensación directa donde la fuente de energía reactiva "controlada" es conmutada por medio de tiristores batería de condensadores. La batería tiene varias secciones y permite variar discretamente la potencia reactiva generada. En la Fig. 3b, la potencia del IRM varía ajustando el reactor. Con este método de control, el reactor consume el exceso de energía reactiva generada por los filtros.Por lo tanto, el método se llama compensación indirecta.

Figura 3. Diagramas de bloques de un IRM multifuncional con compensación directa (a) e indirecta (b)

La compensación indirecta tiene dos desventajas principales: absorber el exceso de potencia provoca pérdidas adicionales, y cambiar la potencia del reactor utilizando el ángulo de control de la válvula conduce a una generación adicional de armónicos más altos.