El verdadero papel de los filtros armónicos en los sistemas eléctricos

En el ámbito de la gestión de la calidad de la energía, el debate sobre los filtros de armónicos para generadores que provocan oscilaciones en el sistema es constante. Los técnicos suelen preocuparse por la seguridad de la conexión de equipos de filtrado al planificar esquemas de compensación de potencia reactiva y supresión de armónicos. Mediante un análisis exhaustivo de las características de impedancia del sistema y los mecanismos de funcionamiento de los filtros, se hace evidente que el filtro de armónicos eléctrico no causa resonancia en el sistema eléctrico; por el contrario, es una herramienta eficaz para suprimir los riesgos de resonancia.

La resonancia se origina en los condensadores y la impedancia del sistema.
Los fenómenos de resonancia en los sistemas eléctricos suelen estar directamente relacionados con los condensadores de compensación de potencia reactiva. Cuando existen fuentes de armónicos en el sistema, el condensador de compensación forma un circuito en paralelo con la inductancia de línea y la inductancia de fuga del transformador. A ciertas frecuencias, puede producirse amplificación de armónicos o incluso resonancia. En este caso, el riesgo de que los condensadores experimenten sobretensión y sobrecorriente aumenta drásticamente, lo que podría provocar daños en el equipo.

La relación de adaptación entre la impedancia equivalente del sistema y la reactancia capacitiva del condensador determina el punto de resonancia. Por ejemplo, los cambios en la relación entre la impedancia de cortocircuito del transformador de distribución y su capacidad de compensación alteran directamente la frecuencia de resonancia en paralelo. Si esta frecuencia coincide con un armónico característico (como el 5.º o el 7.º), la corriente armónica se amplificará significativamente. Este proceso físico se origina en las características inherentes de los componentes pasivos y no está directamente relacionado con la conexión del filtro.

El diseño del filtro busca evitar las frecuencias de resonancia.
El filtro de filtración armónica se construye según el principio de resonancia en serie LC. Para filtrar el orden armónico (por ejemplo, el 5.º armónico a 250 Hz), los diseñadores establecen el punto de resonancia de la rama del filtro cerca de esta frecuencia, lo que provoca que la rama presente una impedancia extremadamente baja y, por lo tanto, desvíe la corriente armónica.

Un filtro correctamente diseñado no inducirá resonancia en el sistema debido a:

Diseño de desintonización: Para la frecuencia armónica principal, la reactancia se ajusta típicamente al 6% o 7%, lo que hace que la frecuencia de resonancia en serie del filtro (aproximadamente 204 Hz) sea significativamente menor que la frecuencia del quinto armónico, evitando así la formación de un nuevo punto de resonancia en paralelo con la impedancia del sistema.

Remodelación de la impedancia: Tras conectar el filtro, la frecuencia de resonancia en paralelo del sistema se desplaza hacia frecuencias más bajas. Cuando la frecuencia es mayor que la frecuencia de resonancia en serie, el factor de amplificación armónica siempre es menor que 1, lo que significa que la corriente armónica no se amplifica.

Efecto de amortiguación: En un sistema de filtro híbrido, el componente activo puede inyectar activamente corriente inversa para amortiguar la posible tendencia a la resonancia entre la rama pasiva y el sistema, reduciendo aún más el riesgo de oscilación.