La calidad de la energía eléctrica es crucial para la eficiencia y seguridad de los sistemas industriales modernos. La compensación de armónicos mediante filtros activos y pasivos es esencial para cumplir con normativas internacionales como IEEE 519 e IEC.
Este artículo explica cómo calcular y seleccionar filtros para compensar armónicos, optimizando la operación eléctrica. Encontrarás tablas, fórmulas, ejemplos y una calculadora inteligente para facilitar el proceso.
Calculadora con inteligencia artificial (IA) – Calculadora de compensación de armónicos mediante filtros activos y pasivos – IEEE 519, IEC
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- Calcular el filtro pasivo necesario para reducir el THD de 18% a 5% en un sistema de 400V, 500kVA.
- Determinar la capacidad de un filtro activo para compensar armónicos de 5° y 7° en una planta de 800A.
- Seleccionar el banco de filtros pasivos para cumplir IEEE 519 en un sistema con carga no lineal de 300kW.
- Comparar la eficiencia de filtros activos vs pasivos para un sistema trifásico de 690V, 1000A.
Tabla de valores comunes en la compensación de armónicos – IEEE 519, IEC
| Parámetro | Valor típico | Unidad | Descripción | Norma de referencia |
|---|---|---|---|---|
| THD (Distorsión Armónica Total) | 5% (máx. recomendado) | % | Límite superior de distorsión armónica en tensión | IEEE 519-2014 |
| THDi (Corriente) | 8% – 12% | % | Distorsión armónica total de corriente | IEEE 519-2014 |
| Frecuencia fundamental | 50 / 60 | Hz | Frecuencia de red eléctrica | IEC 61000-2-2 |
| Tensión nominal | 400 / 480 / 690 | V | Tensión típica de sistemas industriales | IEC 60038 |
| Orden de armónico más crítico | 5°, 7°, 11°, 13° | – | Armónicos predominantes en cargas no lineales | IEEE 519-2014 |
| Capacidad típica de filtro activo | 50 – 1000 | A | Corriente compensada por filtro activo | Fabricantes líderes |
| Capacidad típica de filtro pasivo | 50 – 1000 | kVAR | Potencia reactiva absorbida | Fabricantes líderes |
| Factor de potencia objetivo | 0.95 – 1.0 | – | Meta de corrección de factor de potencia | IEC 61000-3-2 |
| Impedancia de filtro pasivo (Zf) | 0.1 – 1.0 | Ω | Impedancia típica de filtro sintonizado | Diseño de filtros |
Fórmulas para la compensación de armónicos con filtros activos y pasivos
El cálculo de la compensación de armónicos requiere la aplicación de fórmulas específicas para dimensionar filtros activos y pasivos. A continuación, se presentan las principales ecuaciones utilizadas en la ingeniería de calidad de energía, junto con la explicación detallada de cada variable y sus valores típicos.
1. Cálculo del THD (Total Harmonic Distortion)
- THD: Distorsión armónica total (%).
- Vn: Valor eficaz de la tensión del armónico n-ésimo (V).
- V1: Valor eficaz de la tensión fundamental (V).
Valores típicos: THD ≤ 5% (según IEEE 519 para sistemas de baja tensión).
2. Corriente de armónicos individuales
- In: Corriente eficaz del armónico n-ésimo (A).
- I1: Corriente eficaz de la fundamental (A).
- Porcentaje de armónico n: % de la corriente fundamental.
Valores típicos: 5° armónico (20-35%), 7° armónico (10-20%) en cargas no lineales.
3. Impedancia de filtro pasivo sintonizado
- Zf: Impedancia del filtro (Ω).
- Lf: Inductancia del filtro (H).
- Cf: Capacitancia del filtro (F).
Valores típicos: Lf = 0.1-1 mH, Cf = 10-100 μF.
4. Frecuencia de sintonía del filtro pasivo
- fres: Frecuencia de resonancia (Hz).
- Lf: Inductancia del filtro (H).
- Cf: Capacitancia del filtro (F).
Valores típicos: fres = 250-350 Hz para sintonía de 5° armónico en sistemas de 50 Hz.
5. Potencia reactiva del filtro pasivo
- Qf: Potencia reactiva del filtro (kVAR).
- V: Tensión nominal (V).
- Xc: Reactancia capacitiva a la frecuencia fundamental (Ω).
Valores típicos: Qf = 50-1000 kVAR según la carga y el nivel de armónicos.
6. Capacidad de filtro activo
- Ifiltro: Corriente total que debe compensar el filtro activo (A).
- In: Corriente eficaz de cada armónico a compensar (A).
Valores típicos: 50-1000 A según la magnitud de los armónicos presentes.
7. Factor de potencia corregido
- FP: Factor de potencia corregido.
- P: Potencia activa (kW).
- Q: Potencia reactiva original (kVAR).
- Qf: Potencia reactiva del filtro (kVAR).
Valores típicos: FP objetivo ≥ 0.95.
Ejemplos de aplicación real de la compensación de armónicos
Ejemplo 1: Selección de filtro pasivo para cumplir IEEE 519 en una planta industrial
Una planta industrial de 400V, 500kVA, presenta un THD de 18% debido a variadores de frecuencia. Se requiere reducir el THD a 5% para cumplir IEEE 519.
- Datos: Tensión = 400V, Potencia = 500kVA, THD inicial = 18%, THD objetivo = 5%.
- Paso 1: Calcular la corriente fundamental: I1 = 500,000 / (√3 × 400) ≈ 721A.
- Paso 2: Calcular la corriente de armónicos a compensar:
- THD inicial = 18% → Corriente armónica total = 0.18 × 721A ≈ 130A.
- THD objetivo = 5% → Corriente armónica permitida = 0.05 × 721A ≈ 36A.
- Corriente a compensar = 130A – 36A = 94A.
- Paso 3: Seleccionar filtro pasivo sintonizado al 5° armónico (250Hz):
- Supongamos Lf = 0.5 mH, Cf = 40 μF.
- fres = 1 / (2 × π × sqrt(0.0005 × 0.00004)) ≈ 250Hz.
- Qf = (400²) / (1 / (2 × π × 50 × 0.00004)) ≈ 201 kVAR.
- Resultado: Instalar un filtro pasivo de 200 kVAR sintonizado a 250Hz reduce el THD a 5%.
Ejemplo 2: Dimensionamiento de filtro activo para compensar armónicos en un centro de datos
Un centro de datos opera a 480V, 800A, con cargas no lineales que generan armónicos de 5° (25%) y 7° (15%). Se requiere un filtro activo para reducir el THD de corriente a menos de 8%.
- Datos: Tensión = 480V, Corriente = 800A, 5° armónico = 25%, 7° armónico = 15%.
- Paso 1: Calcular la corriente de cada armónico:
- I5 = 0.25 × 800A = 200A.
- I7 = 0.15 × 800A = 120A.
- Paso 2: Corriente total a compensar:
- Ifiltro = sqrt(200² + 120²) ≈ 233A.
- Paso 3: Seleccionar filtro activo de 250A nominal para cubrir margen de seguridad.
- Resultado: Un filtro activo de 250A reduce el THD de corriente a menos de 8%, cumpliendo IEEE 519.
Consideraciones adicionales y mejores prácticas
- Realizar un análisis espectral detallado antes de seleccionar el tipo y capacidad del filtro.
- Verificar la compatibilidad de los filtros con la red y las cargas existentes.
- Considerar la posibilidad de resonancias paralelas y series al instalar filtros pasivos.
- Los filtros activos ofrecen flexibilidad para compensar múltiples armónicos y adaptarse a variaciones de carga.
- La selección debe basarse en mediciones reales y simulaciones, no solo en catálogos.
- Consultar siempre las últimas versiones de las normas IEEE 519 e IEC 61000 para asegurar el cumplimiento.
Para información técnica adicional y guías de referencia, consulta los siguientes recursos:
- IEEE 519-2014: Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems
- IEC 61000-2-2: Electromagnetic compatibility (EMC) – Environment – Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signaling in public low-voltage power supply systems
- Schneider Electric – Harmonic Filtering: Theory and Practice
La correcta compensación de armónicos mediante filtros activos y pasivos es fundamental para la eficiencia, seguridad y cumplimiento normativo en instalaciones eléctricas modernas.