Los fisioterapeutas han sido una piedra angular del análisis de circuitos AC, pero su papel en la gestión moderna de la calidad de la energía, particularmente la mitigación armónica, se ha vuelto indispensable. A medida que los sistemas eléctricos crecen más complejos con una creciente penetración de cargas no lineales y generación renovable, manteniendo niveles armónicos dentro de límites aceptables es crítico para la fiabilidad del sistema y la longevidad del equipo.

Fundamentos de los Phasors en el Análisis AC

Un phasor es un número complejo que representa la magnitud y el ángulo de fase de una onda sinusoidal a una frecuencia determinada. En el análisis de AC de estado estable, voltaje y sinusoides actuales de la misma frecuencia se expresan como fasores, transformando ecuaciones diferenciales en operaciones simples algebraicas. Para un sinusoid v(t) = Vm[LT:1]

En sistemas de energía, los fasores se utilizan para calcular flujos de potencia reales y reactivas, gotas de tensión y corrientes de falla. El concepto se extiende naturalmente a frecuencias armónicas: cada componente armónico es un sinusoide en un entero múltiplo de la frecuencia fundamental (50 o 60 Hz).Tratándose cada armónico como un fásor independiente a su propia frecuencia, los ingenieros pueden aplicar superposición para analizar la distorsión sin una sola falas.

Comprensión de la distorsión armónica

La distorsión armónica se refiere a la desviación de una tensión sinusoidal ideal o la onda actual debido a la presencia de frecuencias que son múltiplos enteros del fundamental. La distorsión armónica total (THD) es una métrica común, definida como la relación del valor RMS de todos los componentes armónicos al valor RMS de lo fundamental. Mientras que alguna distorsión es inevitable, las alteraciones excesivas causan el sobrecalentamiento de los sistemas de comunicación y tripis

Fuentes de Armonía

Las fuentes primarias de armónicos son cargas no lineales que dibujan la corriente en pulsos en lugar de ondas sinusoidales.

  • Accionamientos de frecuencias (VFDs):] Usados en control de velocidad de motor, los VFD generan armónicos de orden 5, 7, 11 y 13 significativos.
  • Power convertidores electrónicos: Los rectificadores, inversores y los equipos de alimentación conmutada en computadoras, cargadores y controladores LED son fuentes armónicas prolíficas.
  • Hornos de arco y equipo de soldadura: Los arcos altamente no lineales producen un amplio espectro de armónicos e interharmónicos.
  • ] Fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS): Tanto en línea como fuera de línea UPS contribuyen a la armónica, especialmente durante la carga de batería o el funcionamiento inversor.
  • Invertores fotovoltaicos: Invertentes a la parrilla inyectan armónicos dependiendo del esquema de conmutación y la impedancia de la red.

Comprender el perfil armónico de cada tipo de carga es el primer paso en la mitigación. El análisis de Phasor en cada frecuencia armónica ayuda a cuantificar la magnitud y el ángulo de fase de las corrientes de distorsión, permitiendo el diseño de filtros específicos.

Efectos sobre la calidad de la energía y el equipo

Los efectos negativos clave son:

  • Sobrecalentamiento del transportador: Las pérdidas actuales e histeresis aumentan con frecuencia; es posible que se requiera derrame.
  • Pulsaciones de par motor: Las corrientes armónicas producen campos magnéticos estragos y ondas de par que causan vibración y calefacción.
  • Funciones bancarias del capital: La armónica puede crear condiciones de resonancia, lo que conduce a una descomposición excesiva y dieléctrica.
  • Neutral conductor overheating: Triplen harmonics (3rd, 9th, 15th) add in the neutral of three-phase systems, often exceeding phase current.
  • Interferencia de comunicación: La pareja armónica se conecta a circuitos de teléfono y control, causando ruido y errores de datos.

Muchos de estos efectos pueden ser predicho y evaluado utilizando modelos armónicos de dominio fáser, donde cada armónico es tratado como una fuente separada en la red de impedancia del sistema.

Análisis armónico del dominio del pósor

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Fourier Transform y Phasors Armónicos

Los sistemas de medición modernos utilizan la transformación discreta Fourier (DFT) o la rápida transformación Fourier (FFT) para extraer fasores armónicos de datos de tiempo-dominios de muestra. Una unidad de medición de phasor (PMU) informa generalmente de fasores de frecuencia fundamental sincronizados a través de GPS. Las UMA avanzadas también pueden reportar fasores armónicos individuales, aunque con menor precisión a frecuencias más altas por filtrados de potencia.

Información de Fase Angle para la Identificación de Fuentes

El ángulo de fase de los fasores armónicos es crítico para determinar la dirección del flujo de energía armónico e identificar la fuente armónica dominante en una red. Por ejemplo, si el fasor de corriente armónica en un punto de unión común (PCC) está casi en fase con el fasor de tensión armónico, la potencia armónica activa es positiva, indicando que el lado de carga está inyectando armónicos en el extremo.

Técnicas avanzadas, como la estimación del estado armónico, utilizan múltiples mediciones de faasor sincronizadas para estimar la distribución de fuentes armónicas en toda una red. Estos métodos dependen de datos precisos de phasor y matrices de impedancia del sistema, esencialmente ampliando el concepto de estimación del estado al dominio armónico.

Técnicas de Mitigación Armónicas Promedio de Datos del Phasor

El análisis basado en el fisio informa el diseño y funcionamiento de diversos dispositivos de mitigación. El objetivo es reducir la inyección armónica en la fuente, bloquear la propagación armónica o absorber las corrientes armónicas a través de filtros. Las subsecciones siguientes describen las técnicas principales y cómo las mediciones de la fasor aumentan su eficacia.

Diseño de filtros pasivos

Los filtros pasivos consisten en inductores sintonizados, condensadores y resistores que proporcionan un camino de baja impedancia para frecuencias armónicas específicas. Un filtro de un solo ajuste está diseñado para un orden armónico específico, por ejemplo, seleccionando L y C tal que la resonancia de la serie se produce a 250 Hz (para el sistema 50 Hz). La impedancia del filtro a esa frecuencia es muy baja, recortando el suministro de la corriente.

El análisis de Phasor es esencial para el diseño de filtros pasivos porque explica las variaciones de impedancia del sistema, los niveles armónicos de fondo y el desentero de filtros debido a la temperatura y el envejecimiento. Los ingenieros realizan estudios de flujo de carga armónico utilizando modelos de faasor para verificar que el filtro no crea resonancia en otras frecuencias. El ángulo de fase de la corriente armónica en la ubicación del filtro determina si el filtro será eficaz bajo todas las condiciones de operación.

Por ejemplo, un filtro sintonizado con la 5a armónica puede interactuar con la inductancia del sistema en la 4a o 6a armónica, causando resonancia paralela y amplificación de tensión. Los análisis de frecuencias de páser-dominio ayudan a identificar tales riesgos antes de la instalación.

Filtros de potencia activa

Los filtros de potencia activos (APFs) utilizan convertidores electrónicos de potencia para inyectar corrientes compensatorias que cancelan componentes armónicos. A diferencia de filtros pasivos, APF puede adaptarse a las condiciones armónicas cambiantes. Miden la corriente de carga, extraen los componentes armónicos utilizando la estimación de faasor en tiempo real (a través de DFT o métodos de marco de referencia sincronizados), y luego sintetizan una forma de onda actual que está a 180 grados fuera de la salida de resultado.

Las mediciones de Phasor están en el corazón del control APF. El controlador debe determinar con precisión la magnitud y el ángulo de fase de cada componente armónico para generar la compensación correcta. Esto se hace normalmente utilizando un bucle de bloqueo de fase (PLL) para sincronizar la salida del filtro con la red fundamental, y luego utilizar la extracción de phasor armónico (por ejemplo, a través de la transformación discreta Fourier).

APFs avanzadas también pueden compensar la potencia reactiva y equilibrar las corrientes de tres fases. Están cada vez más desplegadas en edificios comerciales y plantas industriales donde los niveles armónicos varían. El uso de datos de faasor sincronizados de múltiples APF permite un control coordinado en sistemas grandes, evitando interacciones entre filtros.

Filtros híbridos y acondicionadores de calidad de potencia unificada

Los filtros híbridos combinan elementos pasivos y activos para lograr un mejor rendimiento y un menor costo. Un filtro híbrido típico consiste en un filtro activo pequeño en serie o paralelo con un filtro pasivo. La parte activa maneja armónicos de menor orden y amortiguación, mientras que la parte pasivo absorbe armónicos de alto orden. El análisis del fáser determina la división óptima entre las calificaciones pasivas y activas basadas en el espectro armónico, impedancia del sistema.

El acondicionador unificado de calidad de potencia (UPQC) integra filtros activos de serie y deslumbramiento para compensar tanto el voltaje como los armónicos actuales, así como las ondas y los agujeros de tensión. Su control se basa en la extracción de tensión y los faasores actuales en el punto de instalación. Las mediciones de faasor sincronizados permiten que el UPQC funcione en modo cerrado con un error mínimo de estado fijo.

Unidades de medición de Phasor en tiempo real (PMUs)

Las unidades de medición de Phasor (PMUs) proporcionan datos de faasor sincronizados a altas tasas de muestreo (normalmente 30 a 120 muestras por segundo para frecuencia fundamental). Aunque las UPM se utilizan principalmente para el monitoreo de área amplia de los faasores fundamentales, algunos modelos avanzados también pueden reportar faastres armónicos. Estas "MUs de Harmonic" son una tecnología emergente para el monitoreo y mitigación armónicos en línea.

Mediante el despliegue de múltiples UPM armónicas a lo largo de una red de distribución o transmisión, los operadores del sistema pueden rastrear los niveles armónicos en tiempo real, identificar las condiciones de resonancia y controlar los dispositivos de mitigación dinámicamente. Por ejemplo, si un PMU detecta un aumento repentino en 11a corriente armónica, puede desencadenar un filtro ajustado o ajustar el patrón de conmutación de un VFD cercano.

Varias utilidades han piloto proyectos de UPM armónicas. Por ejemplo, el ] papelIEEE sobre estimación de estado armónico utilizando UPM demuestra cómo los faasores armónicos sincronizados pueden localizar fuentes con alta precisión. La tecnología promete mover la mitigación armónica de un enfoque de diseño estático a un sistema de control dinámico y adaptivo.

Estudios de casos y aplicaciones prácticas

Las aplicaciones del mundo real ilustran el valor de la mitigación armónica basada en el asor. Un escenario común ocurre en plantas industriales con múltiples VFDs. Sin mitigación, las corrientes armónicas 5 y 7 pueden superar los límites IEEE 519, causando el sobrecalentamiento del transformador y la molestia de los interruptores. Los ingenieros realizan una auditoría armónica usando un analizador de calidad de potencia que reporta Phasors (magnitud y fase) en cada uno de filtrado.

Otro ejemplo implica una granja de viento donde los armónicos inverter interactúan con la capacitancia de cable subterráneo, creando una resonancia paralela cerca de la armónica 17. Los escaneos de frecuencia de Phasor revelan el pico resonante. Un pequeño filtro activo se instala en el bus de colectores, sintonizado a través de la retroalimentación de la fasor para amortiguar la resonancia.

Las utilidades utilizan cada vez más datos de fasor armónico para hacer cumplir los códigos de rejilla. En Europa, EN 50160 especifica los límites armónicos de tensión en el PCC. Los operadores del sistema de distribución despliegan PMU o PQ metros en subestaciones clave para registrar fasores armónicos. Cuando ocurren violaciones armónicas, pueden identificar al cliente responsable analizando la dirección del flujo de energía armónico utilizando ángulos de fases de phasor.

Normas y directrices

IEEE Standard 519-2022, "Recomendado Práctica y Requisitos para Control Armónico en Sistemas de Energía Eléctrica", es la referencia principal para la mitigación armónica. Define los límites para tensión y armónicas actuales en varios niveles de tensión del sistema. El estándar utiliza THD y la distorsión total de la demanda (TDD) para cuantificar los niveles armónicos.

IEC 61000-series standards address harmonic emissions and impunity. IEC 61000-4-7 describe el método de medición, incluyendo el uso de DFT para obtener faasores armónicos. IEC 61000-3-6 establece límites para las emisiones armónicas de instalaciones conectadas a sistemas de media tensión. La evaluación del cumplimiento a menudo requiere medición de faasor armónico durante los períodos de evaluación.

Para obtener una orientación más detallada sobre la medición de la fasura para aplicaciones armónicas, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) publica investigación sobre el impacto armónico de la integración renovable.

Future Directions

La integración de la mitigación armónica basada en el fesor en las plataformas inteligentes de la red sigue avanzando.

  • Edge computing: Procesamiento armónico de fasor a nivel de sensores, reduciendo la latencia de datos para el control en tiempo real.
  • ]Aprendizaje de máquinas: Los algoritmos entrenados en datos históricos de fasor para predecir niveles armónicos y ajustar de forma preventiva los dispositivos de mitigación.
  • ]Gemelos digitales:] Modelos armónicos de alta fidelidad de redes de distribución actualizados en tiempo real con datos de phasor de PMU para simular escenarios de mitigación.
  • Control armónico de la zona de la izquierda: Usar redes sincrofasoras de sistemas de transmisión para coordinar múltiples dispositivos de mitigación en una región.

A medida que la electrónica de energía se vuelve más omnipresente, la necesidad de un análisis armónico de faasor preciso y de alta velocidad sólo crecerá. La convergencia de la tecnología PMU, los controles avanzados y la IA promete un futuro donde la distorsión armónica se gestiona proactivamente en lugar de reactivar.

Conclusión

Los equipos de medición de potencia de IE mantienen una herramienta matemática elegante y potente para analizar y mitigar los armónicos en sistemas eléctricos. Representando cada componente armónico como un fasor complejo, los ingenieros pueden aplicar técnicas de análisis de circuitos para comprender la distorsión, identificar fuentes y diseñar filtros eficaces. La integración de mediciones de phasor en tiempo real de PMUs y analizadores de PQ ha movido la mitigación de los sistemas estáticos19.

Para una inmersión más profunda en los fundamentos del faasor, consulte El artículo de Wikipedia sobre los fasores, y para técnicas avanzadas de mitigación armónica, vea el estándar IEEE 519-2022.