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Ajuste de Filtros de Armónicos – Ajustados y Desajustados.
Cuando se diseña o aplica un filtro armónico, la pregunta que viene a la mente de muchos ingenieros es “¿A qué frecuencia o armónico la serie de filtro armónico se debería sintonizar?”, por ejemplo, 4,2 (parcialmente desajustado o 5,0 (ajustado). Para responder esta pregunta, el ingeniero debería saber en primer lugar por qué los filtros están siendo instalados. Los filtros armónicos son normalmente instalados para lograr uno de los siguientes objetivos:
1. Se necesita que los condensadores mejoren el factor de energía, y puede ocurrir una posible interacción del sistema con la instalación de un banco de condensadores planos.
2. Límites de distorsión admisibles de la utilidad local o IEEE-519 son excedidas, y se necesitan filtros para reducirlos.
3. Una combinación de los números 1 y 2, a través del cual los condensadores se necesitan para mejorar el factor de energía y con la combinación de los condensadores, se exceden los límites de distorsión admisibles.
Figura 1 – Típico Sistema Industrial
El artículo técnico discute el tipo apropiado del filtro para cada una de las aplicaciones anteriores y proporciona el diseño y desempeño clave relacionado a las series de filtro armónico ajustadas, no ajustadas y parcialmente no ajustadas. Consulte con NEPSI para otros boletines que lo puedan ayudar en la selección y aplicación de series de filtro armónico y bancos de condensadores.
Antecedentes – Ajuste.
La figura 2 muestra un escáner de frecuencia típica para un filtro armónico 4,2º, 8º y 5º cuando se instalan en un sistema como se muestra en la Figura 1. El escáner de frecuencia muestra la impedancia evidente de una función de frecuencia, como se ve en una corriente inyectada en la ubicación de la Figura 1. Esta corriente inyectada es normalmente es calificada como una fuente de corriente armónica inyectada y normalmente consiste de cargas no lineales, como velocidades variables, proveedores de modo de energía de conmutadores, y soldadores. El escáner muestra cómo los efectos del punto de sintonización la impedancia evidente, principalmente en el área de sintonización, cerca del 5º armónico. En la figura 3 se muestra una explosión de esta área de sintonización.
Figura 2 – Comparación del Punto de Sintonización del Filtro.
El escáner de impedancia es útil ya que da una indicación de las características del filtro y cómo interactúa con el sistema al que está siendo aplicado. Por ejemplo, el punto de sintonización del filtro se puede determinar al mirar en la mínima impedancia, o “muescas”. Además, el punto anti-resonante, la punta abajo del punto de sintonización, también se puede determinar. El punto anti-resonante siempre existe debajo de la frecuencia de sintonización de un filtro, y en este punto se deberían evitar los armónicos importantes. Cuando se aplican filtros sin sintonización bajo el 4,2º, se debería dar una prudente consideración a posibles preocupaciones resonantes en el 3er armónico.
Para agregar realidad a los escáneres, uno podría decir que uno por unidad de corriente inyectada en uno por impedancia de unidad, produce uno por tensión de unidad. Al mirar la Figura 3, uno por unidad de corriente inyectada al sistema en el 5º armónico producirá esos niveles de tensión vistos en la ordenada de la Figura 3. El 4,2º producirá una 5ª tensión armónicade 0,275 por unidad. El 4,8’ producirá una 5ª tensión armónica de 0,072 por unidad u un 5º filtro una tensión de 0,006 por unidad. Con respecto a los filtros, el 5º filtro armónico se desempeña mejor dentro de los tres filtros, ya que la tensión armónica más baja se produce por uno por unidad de inyección.
Figura 3 – Acercamiento del punto de sintonización
Desempeño del Filtro
De la discusión anterior, es aparente que la sintonización tiene un efecto definitivo en el desempeño del filtro y en la interacción del sistema. La cuestión de sintonizar, de-sintonizar y de-sintonizar parcialmente es un tema económico, objetivo del filtro, una interacción negativa del sistema. Un filtro sintonizado cuesta más que un filtro parcialmente de-sintonizado, y asimismo un filtro de-sintonizado parcialmente cuesta más que un filtro de-sintonizado. La razón de esta diferencia de costos, son los requerimientos de servicio tanto para los condensadores como par los reactores. Por ejemplo, las corrientes de filtros para varios puntos de sintonización para el típico sistema en la Figura 1, están ilustradas en la Tabla 1. La tabla esta basada en 100 amps de la 5ª corriente inyectada armónica desde la carga no lineal. Esta corriente puede fluir de vuelta a la utilidad o hacia el filtro armónico, y es dependiente de la impedancia del filtro y la impedancia del sistema al 5º armónico.
La tabla 1 muestra que el 5º filtro armónico absorberá la mayoría de la corriente armónica y que muy poco será absorbido por la utilidad. Como resultado, el 5º filtro armónico necesitaría una 5ª clasificación de corriente armónica de 99 Amps. El 4,8º de filtro armónico absorbe menos, y necesitaría una 5ª clasificación de corriente armónica de 70 Amps. El 4,2º filtro armónico absorbe muy poca corriente armónica (20 Amps), mientras que la utilidad y el sistema restante absorbe los 80 Amps restantes. La conclusión aquí es simple, sintonizar el filtro más cerca a los filtros armónicos requiere clasificaciones de corriente del reactor más alto, (y también clasificaciones de tensión del condensador) lo cual resulta en un costo de serie de filtro más alto.
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Table
1 -
Filter Performance
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Filter
Type
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Filter Current
(amps)
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Utility System
(amps)
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5th
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99
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1
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4.8th
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70
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30
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4.2nd
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20
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80
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Conclusión
La opción de la frecuencia de sintonización está basada en el objetivo del filtro armónico y en la economía. Las siguientes directrices pueden asistir a un ingeniero al momento de determinar el tipo apropiado (frecuencia de sintonización) del filtro.
Filtros De-sintonizados (Sintonización entre 4,0 y 4,4)
Si se consideran los filtros armónicos sólo para propósitos de la corrección del factor de energía, entonces una serie de filtro de-sintonizado es la mejor opción. Este filtro hará muy poco para remover cualquier distorsión armónica presente en el sistema, pero permitirá la instalación de una gran banco de condensadores sin ninguna interacción adversa del sistema. Los bancos de condensadores desintonizados son menos costosos y menos confiables que las series de filtro sintonizados o desintonizados. La frecuencia anti-resonante debería ser considerada para asegurar que no caiga cerca del 3er armónico.
Filtro Parcialmente Sintonizado (Sintonización entre 4,4 y 4,8)
En algunas situaciones, se necesita un filtro (o banco de condensador) para mejorar el factor de energía y al mismo tiempo se exceden los límites de distorsión. En esta situación, la mejor elección es normalmente una serie de filtro parcialmente sintonizado. Una serie parcialmente sintonizada ofrece menos riesgos y es normalmente menos costoso que una serie de filtro sintonizado.
Filtros Sintonizados (Sintonización entre los 4,8 y los 5,0
Si se consideran los filtros armónicos sólo para el propósito de reducir la distorsión armónica a límites aceptables, entonces se debería considerar un filtro sintonizado. Un filtro sintonizado necesitará la menor cantidad de kvar para bajar la distorsión dentro de los límites, pero necesitará el nivel más alto del diseño técnico. Tiene el nivel más alto de riesgo, ya que trazará la mayoría de los armónicos presentes en el sistema industrial y en el sistema de utilidad local. Se debería considerar el crecimiento de la carga armónica, junto con el nivel de distorsión de tensión ambiente. La aplicación de este tipo de filtros debería incluir un análisis armónico detallado por parte del fabricante.
Otros Tipos de Filtros
Los 5º filtros armónicos han sido el centro de la discusión. Algunas veces se requieren otros tipos de filtros, como por ejemplo, la 5ª, 7ª y 11ª serie de filtro, o la 5ª, 7ª, 11ª y 13ª alta frecuencia. Estos filtros están diseñados con una optimización y con límites específicos de distorsión de corriente en mente. Estos son mucho más costosos que los filtro de sintonización simple, pero son mucho más efectivos al momento de reducir la distorsión del sistema. Estos normalmente se aplican a sistemas con grandes cantidades de carga no lineal.
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