Los cargadores y probadores de baterías de alta potencia extraen de la red una corriente rica en armónicos porque sus puentes trifásicos de seis pulsos no se comportan como cargas lineales. Su corriente de entrada es aproximadamente rectangular en lugar de sinusoidal, lo que produce armónicos característicos, especialmente el 5.º, 7.º, 11.º y 13.º. Estas corrientes pueden distorsionar la tensión de alimentación, aumentar el calentamiento y las pérdidas del equipo e interferir con equipos sensibles de laboratorio o de control. Las principales soluciones de diseño son la conversión de 12 pulsos y los filtros armónicos LC correctamente diseñados.
Conclusión principal: En un puente ideal de seis pulsos, la magnitud de la corriente armónica característica es aproximadamente proporcional a (1/h), donde (h) es el orden armónico. Una configuración de 12 pulsos cancela los armónicos dominantes de 5.º y 7.º orden, mientras que los filtros LC sintonizados suprimen los armónicos restantes y también pueden proporcionar compensación de potencia reactiva.
Por qué son preocupantes las corrientes armónicas
Los puentes de seis pulsos extraen corriente no sinusoidal
Un puente trifásico totalmente controlado conmuta la alimentación de CA para producir una forma de onda de salida de CC. Incluso cuando la corriente del lado de CC es relativamente uniforme, la corriente del lado de CA circula por secciones en lugar de seguir una forma sinusoidal.
Esto crea componentes armónicos a frecuencias superiores a la frecuencia fundamental de línea. Para un convertidor ideal de seis pulsos, los principales órdenes característicos son:
[ h = 6k \pm 1 ]
donde (k) es un número entero positivo. Por lo tanto, los componentes de bajo orden más importantes son los armónicos de 5.º, 7.º, 11.º y 13.º orden.
Los armónicos de menor orden suelen ser los más significativos
Para un puente idealizado con corriente de CC continua, la magnitud de la corriente armónica sigue aproximadamente:
[ I_h \approx \frac{I_1}{h} ]
Aquí, (I_1) es la corriente fundamental y (h) es el orden armónico. Esto significa que los armónicos de 5.º y 7.º orden suelen ser más importantes que los componentes de orden superior, porque sus amplitudes son mayores y sus frecuencias siguen siendo lo bastante bajas como para afectar a partes significativas de la instalación eléctrica.
La distorsión se propaga por la instalación
La corriente armónica que circula a través de la impedancia de la fuente y del transformador crea caídas de tensión armónicas. Como resultado, la distorsión no se limita al cargador o al sistema de prueba, sino que puede afectar al bus eléctrico compartido.
Las consecuencias pueden incluir:
- Calentamiento adicional en transformadores, conductores, reactores y aparamenta.
- Mayor corriente RMS y aumento de las pérdidas de distribución.
- Distorsión de la forma de onda de tensión en la alimentación de la instalación.
- Interferencia con equipos sensibles de medición, control y laboratorio.
- Reducción de la capacidad utilizable de transformadores y otras infraestructuras eléctricas.
- Posible incumplimiento de los requisitos de calidad de energía del sitio.
La preocupación se vuelve más seria a medida que aumenta la potencia del cargador o probador, ya que incluso un porcentaje moderado de distorsión puede representar una corriente armónica absoluta considerable.
Cómo los diseños de seis pulsos producen el problema
El puente crea órdenes armónicos característicos
El puente de seis pulsos transfiere energía mediante pares alternos de tiristores u otros dispositivos semiconductores controlados. La corriente de línea resultante presenta un patrón periódico relacionado con las seis conmutaciones que ocurren durante cada ciclo fundamental.
En condiciones ideales y equilibradas, los principales armónicos característicos no triples son:
- Armónico de 5.º orden
- Armónico de 7.º orden
- Armónico de 11.º orden
- Armónico de 13.º orden
Los armónicos triples, como el 3.º, no son los componentes definitorios de la corriente de línea de un puente trifásico equilibrado de seis pulsos.
El control del ángulo de disparo no elimina los armónicos
Cambiar el ángulo de disparo o de retraso de fase controla la salida de CC del convertidor y afecta a su factor de potencia fundamental. Por sí solo, no hace que la corriente de entrada sea sinusoidal.
En la práctica, el solapamiento de conmutación, la impedancia de la fuente, el comportamiento del control y la ondulación de la corriente de CC modifican el espectro exacto. Sin embargo, no eliminan el problema armónico básico asociado con la topología de seis pulsos.
Mitigación mediante un convertidor de 12 pulsos
La topología cancela los componentes dominantes de 5.º y 7.º orden
Un convertidor de 12 pulsos combina las salidas de dos puentes de seis pulsos alimentados con un desfase de 30 grados, normalmente mediante una configuración adecuada de transformadores con desplazamiento de fase.
Las corrientes armónicas de 5.º y 7.º orden de los dos puentes presentan relaciones de fase opuestas en la entrada del lado primario. Cuando el sistema está correctamente diseñado y equilibrado, estos componentes se cancelan sustancialmente.
Esto hace que la configuración de 12 pulsos sea mucho más limpia que un único puente de seis pulsos, especialmente porque elimina los dos armónicos característicos de bajo orden más prominentes.
La cancelación depende del equilibrio y del diseño del sistema
La cancelación no es absoluta en todas las condiciones de funcionamiento. Las diferencias entre puentes, las tolerancias de los transformadores, las cargas desiguales, las discrepancias de control y el desequilibrio de la alimentación pueden dejar armónicos residuales de 5.º y 7.º orden.
Por lo tanto, un diseño de 12 pulsos debe evaluarse como un sistema completo, incluyendo:
- Precisión del desplazamiento de fase del transformador.
- Reparto uniforme de corriente entre los puentes.
- Impedancia de la fuente y efectos de conmutación.
- Rango de funcionamiento previsto.
- Armónicos residuales de 11.º y 13.º orden.
- Límites de calidad de energía de la instalación.
La topología reduce la carga armónica, pero no elimina la necesidad de realizar mediciones y verificaciones.
Mitigación mediante filtros armónicos LC
Los filtros sintonizados proporcionan una ruta de baja impedancia
Un filtro LC puede sintonizarse a una frecuencia armónica seleccionada, como la de los armónicos de 5.º, 7.º, 11.º o 13.º orden. En su frecuencia de sintonía, el filtro presenta una ruta de baja impedancia para la corriente armónica objetivo, desviando gran parte de esa corriente de la alimentación.
En instalaciones de alta potencia, los filtros suelen aplicarse como ramas en paralelo en la entrada del convertidor. La configuración exacta debe tener en cuenta la impedancia de la fuente del convertidor, el espectro armónico previsto y las condiciones de fallo del sistema.
Los filtros pueden abordar varios armónicos
Una única rama sintonizada normalmente es eficaz alrededor de un armónico principal. Pueden utilizarse varias ramas cuando sea necesario atenuar armónicos de orden bajo y alto.
El diseño del filtro debe basarse en corrientes armónicas medidas o calculadas, y no únicamente en la potencia nominal del convertidor. Un probador de baterías puede funcionar en un amplio rango de corriente y tensión, por lo que el espectro puede variar significativamente según el punto de funcionamiento.
El comportamiento capacitivo puede proporcionar compensación reactiva
A la frecuencia fundamental, los elementos capacitivos del filtro pueden suministrar corriente reactiva. Esto puede compensar parte de la potencia reactiva atrasada asociada con el retraso del ángulo de disparo del convertidor y otros elementos inductivos.
Por lo tanto, un filtro correctamente diseñado puede cumplir dos funciones:
- Reducir determinadas corrientes armónicas.
- Mejorar el factor de potencia a la frecuencia fundamental mediante la compensación de potencia reactiva.
El nivel de compensación debe controlarse cuidadosamente para evitar que la instalación quede sobrecompensada con cargas ligeras.
Comprensión de las ventajas y desventajas
La conversión de 12 pulsos añade equipos y costes
Un sistema de 12 pulsos requiere hardware adicional para los puentes y normalmente un transformador con desplazamiento de fase. Esto aumenta el coste inicial, el tamaño físico, el peso y la complejidad de la instalación.
También introduce pérdidas en el transformador y requiere una coordinación cuidadosa entre las dos secciones del puente. La ventaja es una reducción robusta de los armónicos dominantes de bajo orden sin depender exclusivamente de componentes pasivos sintonizados.
Los filtros pasivos pueden crear resonancias
Un filtro LC modifica la impedancia de la red eléctrica. Si su frecuencia de resonancia interactúa con el sistema eléctrico, la impedancia del transformador u otros condensadores, puede amplificar determinados armónicos en lugar de suprimirlos.
Por lo tanto, el diseño debe considerar:
- Resonancia en paralelo y en serie con la alimentación.
- Desintonización causada por las tolerancias de los componentes.
- Variación de la impedancia de la fuente.
- Carga de corriente armónica de condensadores e inductores.
- Transitorios de conmutación o energización.
- Requisitos de protección contra fallos y descarga.
Puede ser necesario aplicar amortiguación o desintonización cuando la resonancia exacta sea demasiado sensible a las condiciones de funcionamiento.
La compensación reactiva no siempre es beneficiosa
Aunque el filtro capacitivo puede compensar la potencia reactiva inductiva, una capacitancia excesiva puede producir un factor de potencia adelantado o un aumento no deseado de la tensión. El filtro debe dimensionarse para el perfil de funcionamiento real, no instalarse simplemente con la potencia máxima posible del cargador.
El rendimiento armónico debe comprobarse en el punto de conexión
Un convertidor puede presentar una distorsión de corriente aceptable en sus terminales y, aun así, causar una distorsión de tensión inaceptable en un bus débil de la instalación. Por el contrario, una alimentación robusta puede tolerar el mismo convertidor con mayor facilidad.
La evaluación debe incluir ambos aspectos:
- Distorsión armónica de corriente producida por el convertidor.
- Distorsión de tensión resultante de la interacción entre esas corrientes y la impedancia de la red aguas arriba.
Elección del enfoque adecuado
Cuándo es apropiado un diseño de 12 pulsos
Un convertidor de 12 pulsos resulta atractivo cuando la instalación tiene una potencia continua elevada, una carga predecible y espacio suficiente para el transformador y el equipo adicional del puente.
Es especialmente útil cuando reducir los armónicos de 5.º y 7.º orden es un requisito principal y una solución basada únicamente en filtros pasivos sería demasiado grande o demasiado sensible a las condiciones del sistema.
Cuándo son apropiados los filtros LC sintonizados
Los filtros LC son adecuados cuando se conocen los órdenes armónicos dominantes y la red eléctrica es suficientemente estable para permitir una sintonía predecible del filtro.
Pueden aplicarse a una instalación existente de seis pulsos, aunque el filtro debe diseñarse para todo el rango de funcionamiento del convertidor y comprobarse que no produzca resonancia con el sistema aguas arriba.
Cuándo es mejor una solución combinada
Un convertidor de 12 pulsos y el filtrado LC pueden combinarse cuando la instalación requiere un rendimiento de calidad de energía más estricto. La configuración de 12 pulsos elimina los componentes de bajo orden más significativos, mientras que los filtros abordan los armónicos residuales y proporcionan una compensación reactiva controlada.
Esto puede ser más eficaz que esperar que cualquiera de los dos métodos resuelva por sí solo todos los problemas de calidad de energía.
Cómo aplicar esto a su proyecto
La mitigación correcta depende del nivel de potencia, el rango de funcionamiento, la robustez de la alimentación, los límites armónicos y la sensibilidad de los equipos cercanos.
- Si su prioridad es reducir los armónicos dominantes de bajo orden: Utilice un convertidor de 12 pulsos correctamente equilibrado para que las corrientes armónicas de 5.º y 7.º orden se cancelen en el lado de la fuente.
- Si su prioridad es actualizar un sistema existente de seis pulsos: Añada ramas de filtros LC diseñadas específicamente y sintonizadas a los armónicos dominantes medidos, verificando la resonancia y la carga de los componentes.
- Si su prioridad es mejorar la potencia reactiva: Utilice el comportamiento capacitivo del filtro a la frecuencia fundamental para compensar la potencia inductiva, evitando al mismo tiempo la sobrecompensación con cargas ligeras.
- Si su prioridad es proteger equipos sensibles de laboratorio: Evalúe la distorsión de tensión en el bus compartido, no únicamente la distorsión de corriente en los terminales del convertidor.
- Si su prioridad es lograr fiabilidad a largo plazo: Valide el diseño en todo el rango de funcionamiento de carga y prueba, incluyendo cargas desequilibradas y variaciones de la impedancia de la fuente.
Al tratar la mitigación armónica como un problema completo de diseño del convertidor y de la red, los sistemas de baterías de alta potencia pueden alcanzar tanto el rendimiento de CC requerido como una calidad de energía de CA aceptable.
Tabla resumen:
| Orden armónico | Magnitud (relativa a la fundamental) | Nivel de preocupación | Método de mitigación |
|---|---|---|---|
| 5.º (250 Hz) | ~20 % (I1/5) | Alto | Convertidor de 12 pulsos (cancela), filtro LC sintonizado al 5.º orden |
| 7.º (350 Hz) | ~14 % (I1/7) | Alto | Convertidor de 12 pulsos (cancela), filtro LC sintonizado al 7.º orden |
| 11.º (550 Hz) | ~9 % (I1/11) | Moderado | Filtro LC sintonizado al 11.º orden |
| 13.º (650 Hz) | ~8 % (I1/13) | Moderado | Filtro LC sintonizado al 13.º orden |
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