El filtro pasivo adecuado depende principalmente de la estabilidad del espectro armónico, del número y la ubicación de las cargas no lineales, del tipo de red y del objetivo de la corrección. Para una instalación con cargas estables, pocos armónicos dominantes y un perfil predecible, suele ser apropiado un filtro pasivo de sintonización única o un filtro pasivo de paso bajo; cuando existen varios armónicos relevantes, puede ser necesario combinar varias ramas sintonizadas o utilizar un filtro de banda.
Un filtro pasivo es una solución estática y robusta, especialmente adecuada para instalaciones con uno o pocos contaminadores grandes y estables, como bombas industriales pesadas, compresores, extrusoras, grandes ventiladores o enfriadoras. Si las cargas cambian con frecuencia, existen muchas fuentes distribuidas, el neutro es crítico o la instalación continúa ampliándose, conviene evaluar un filtro activo o una arquitectura híbrida.
Qué es un filtro pasivo de armónicos
Los filtros pasivos son dispositivos diseñados con componentes pasivos, como inductores (L) y capacitores (C), que se configuran para atenuar las frecuencias armónicas específicas. Su funcionamiento se basa en la resonancia, lo que significa que están diseñados para sintonizarse a frecuencias particulares, permitiendo así filtrar armónicos específicos y reducir la distorsión en la red.
Un filtro armónico pasivo es un componente electrotécnico de probada eficacia que se utiliza para filtrar frecuencias armónicas específicas de una instalación eléctrica. En entornos con grandes sistemas electrónicos de potencia estáticos, este tipo de filtro constituye un método rentable y fiable para garantizar la calidad de la tensión (Power Quality).
Un filtro pasivo de armónicos consiste en una composición de componentes pasivos: bobinas (inductancia, L) y condensadores (capacitancia, C), a veces complementados por resistencias. Estos componentes se calculan y conmutan de modo que formen una resistencia (impedancia) muy baja para una frecuencia específica.
Esto se denomina circuito de aspiración. Su funcionamiento se basa en la ley de la menor resistencia. La corriente eléctrica elige preferentemente el camino de menor impedancia.
Estos filtros suelen instalarse en paralelo con la carga y actúan como “sumideros” de corriente armónica. Al sintonizar el filtro con la frecuencia de la contaminación -por ejemplo, 250 Hz para el 5º armónico-, el filtro "atrae" hacia sí esta corriente específica.
Como resultado, la corriente armónica no vuelve al distribuidor principal ni al transformador, sino que es absorbida por el filtro. Estos filtros se construyen combinando inductores y capacitores de manera que resuenen a la frecuencia objetivo, permitiendo que la corriente armónica se desvía a tierra.
Por qué se necesitan filtros pasivos
La presencia de armónicos es uno de los desafíos más comunes en los sistemas eléctricos modernos. Estos son formas de onda de frecuencia múltiple que se superponen a la señal fundamental, generando distorsiones que pueden afectar negativamente a los equipos conectados.
Los armónicos suelen ser causados por dispositivos no lineales, como rectificadores, inversores y cargas electrónicas, que alteran la forma de la corriente o la tensión en la red. Cuando las cargas no lineales, como los variadores de velocidad o la iluminación LED, generan corrientes armónicas, la forma sinusoidal de la tensión se distorsiona.
Estas distorsiones no solo reducen la eficiencia del sistema, sino que también pueden provocar sobrecalentamiento en transformadores, interferencias en los sistemas de control y funcionamiento incorrecto de dispositivos sensibles.
- Sobrecalentamiento de transformadores y cables: Las corrientes armónicas provocan pérdidas adicionales (efecto piel y corrientes parásitas). Esto puede sobrecargar un transformador aunque no se supere la potencia nominal.
- Reducción de la vida útil de los equipos: el calor adicional generado hace que los materiales aislantes envejezcan más rápido. La regla general es que cada 10 grados de aumento de temperatura reduce a la mitad la vida útil de los componentes electrónicos.
- Fallos inexplicables: La electrónica de control (PLC) puede verse alterada por "fallos de paso por cero" si la forma de la tensión está demasiado alterada.
- Sanciones y cumplimiento: los operadores de red imponen requisitos sobre la contaminación máxima que se puede retroalimentar (Grid Code). Además, normas como EN 50160 e IEEE 519 prescriben límites que su instalación debe cumplir.
Qué filtro pasivo colocar
Filtro pasivo de sintonización única
Los más comunes son los filtros de sintonización única, diseñados para eliminar un armónico específico. Son la elección más directa cuando existe un armónico claramente dominante y estable.
Un filtro pasivo es generalmente más adecuado cuando el espectro armónico es estable en el tiempo; hay pocos armónicos dominantes y bien identificables; las cargas son bastante predecibles; el objetivo es relativamente fijo y bien delimitado; el proyecto se gestiona con atención a la coordinación, los ajustes y las condiciones de operación.
En los rectificadores de 6 pulsos dominan especialmente los armónicos 5º (250 Hz) y 7º (350 Hz). En menor medida, también se observan los armónicos 11º y 13º.
| Armónico | Frecuencia indicada | Aplicación habitual |
|---|---|---|
| 5º | 250 Hz | Filtro sintonizado para el armónico dominante |
| 7º | 350 Hz | Filtro sintonizado para el armónico dominante |
| 11º | No indicada | Armónico de menor presencia |
| 13º | No indicada | Armónico de menor presencia |
Como estas frecuencias son predecibles y están directamente relacionadas con la carga, un filtro pasivo puede dimensionarse eficazmente en consecuencia.
Filtro pasivo para los armónicos 5º y 7º
Cuando los armónicos 5º y 7º son los componentes predominantes, puede instalarse una solución con ramas pasivas sintonizadas para 250 Hz y 350 Hz, siempre que la medición confirme que esas frecuencias son realmente dominantes y que el estudio de resonancia no revele una condición peligrosa.
Los filtros pasivos suelen utilizarse para compensar la contaminación de los llamados rectificadores de 6 pulsos. Se trata de la etapa de entrada estándar de la mayoría de los variadores de frecuencia (VFD) convencionales.
Cuando se carga un regulador de 6 impulsos, se producen corrientes armónicas en las órdenes. Esto significa que dominan especialmente los armónicos 5º (250 Hz) y 7º (350 Hz).
Filtro pasivo de paso bajo
Los filtros de paso bajo atenúan todas las frecuencias superiores a un valor determinado. Permiten que las señales de baja frecuencia pasen y bloquean altas frecuencias.
Los filtros de bajo pase son esenciales para permitir que las señales de baja frecuencia pasen mientras atenúan el ruido de alta frecuencia, mejorando la claridad de la señal en diversas aplicaciones, como los sistemas de comunicación y radar.
En un filtro de pase bajo capacitivo, el condensador se coloca en paralelo con la carga, lo que permite pasar frecuencias bajas mientras atenúa altas frecuencias. Esta configuración simple pero efectiva forma la base de muchos diseños de filtros de bajo pase, lo que les permite realizar su función crucial en numerosos dispositivos electrónicos.
Los filtros pasivos bajos se definen por su simplicidad y rentabilidad. Por lo general, consisten solo en resistencias y condensadores, estos filtros están diseñados para permitirseñales de baja frecuenciapasar mientras atenúa frecuencias más altas.
La forma más común de un filtro de paso bajo pasivo es el filtro RC, que utiliza una resistencia y un condensador para crear un circuito de filtrado sencillo pero eficiente.
En los suministros de alimentación, los filtros de bajo pase son esenciales para estabilizar el voltaje y minimizar las fluctuaciones de alta frecuencia. Estos filtros ayudan a garantizar que el voltaje de salida permanezca consistente, proporcionando una potencia confiable a los dispositivos electrónicos.
Filtro pasivo de banda
También existen los filtros de banda, utilizados para eliminar un rango específico de armónicos. La conexión en serie de un filtro de paso bajo con frecuencia de corte por ejemplo, de 2,25 KHz y un filtro de paso alto de 22 KHz, es equivalente a un filtro de banda, donde el ancho del espectro de frecuencias de la banda de paso lo fijan las frecuencias de corte inferior y superior de los dos filtros.
Para que funcione adecuadamente en estos casos la entrada del conjunto de filtrado utilizado como paso de banda se realiza por el filtro HPF de paso alto que debe tener una frecuencia de corte más baja que el filtro de salida, la salida se realiza por el filtro LPF de paso bajo que debe tener una frecuencia de corte mayor que la del filtro de entrada.
En la imagen siguiente podemos ver el análisis de las frecuencias de corte de los dos filtros LPF y HPF explicados anteriormente, conectados en serie para realizar un Filtro pasivo de Banda que solo deja pasar las frecuencias que se encuentran dentro del espectro comprendido entre las frecuencias de 2,25 KHz y 22 KHz que cortan a -3 dB, representado por la traza de Ganancia en color verde.
Filtro pasivo de primer orden
Los filtros de pase bajo de primer orden son la forma más simple de filtros de pase bajo, que consisten en una sola resistencia y condensador.
En la frecuencia de corte, el cambio de fase en estos filtros es de -45 grados, y la ganancia se reduce en 3 dB, lo que indica una atenuación significativa.
El voltaje de salida a la frecuencia de corte es de aproximadamente el 70.7% del voltaje de entrada, lo que garantiza que las señales de baja frecuencia pasen con una pérdida mínima.
La frecuencia de corte en un filtro de paso bajo RC simple se calcula utilizando la fórmula: fc = 1/(2πrc).
Filtro pasivo de segundo orden
Los filtros de pase bajo de segundo orden son más complejos que sus contrapartes de primer orden, incorporando una resistencia, inductor y condensador.
La mayor complejidad de los filtros de paso bajo de segundo orden permite una mayor atenuación de altas frecuencias, lo que los hace adecuados para aplicaciones que requieren un filtrado más preciso de señales de menor frecuencia.
El efecto de amortiguación en estos filtros está influenciado por la resistencia, lo que ayuda a controlar la respuesta de frecuencia del filtro.
Cómo elegir entre filtro pasivo y filtro activo
Para abordar estos problemas, se utilizan principalmente dos tipos de filtros: filtros pasivos y filtros activos. Recuerda que nos estamos centrando en sistemas de potencia (sistemas eléctricos y electrónica de potencia involucrada).
La elección entre un filtro pasivo y uno activo depende totalmente de las características de su instalación y de su presupuesto. Un filtro pasivo es estático y robusto; un filtro activo es dinámico y flexible.
| Aspecto | Filtro pasivo | Filtro activo |
|---|---|---|
| Funcionamiento | Estático | Dinámico |
| Componentes | Inductores, condensadores y, en ocasiones, resistencias | Dispositivos electrónicos de potencia, como transistores IGBT o MOSFET |
| Respuesta | Frecuencias fijas | Compensación en tiempo real |
| Ventaja principal | Robustez, ausencia de piezas móviles, menor inversión inicial, alta eficiencia | Adaptación a cargas variables y filtrado de todos los armónicos simultáneamente |
| Limitación principal | Riesgo de resonancia y menor flexibilidad | Mayor inversión y tecnología más compleja |
| Alimentación | No precisa alimentación | Requiere una fuente de alimentación externa |
Cuándo elegir un filtro pasivo
El filtro pasivo puede ser una opción válida, pero solo cuando el contexto de la instalación cumple unas condiciones precisas. Funciona bien cuando el problema está suficientemente definido, es predecible y estable.
- El espectro armónico es estable en el tiempo.
- Hay pocos armónicos dominantes y bien identificables.
- Las cargas son bastante predecibles.
- El objetivo es relativamente fijo y bien delimitado.
- Existe una coordinación adecuada con la impedancia de la red y la compensación existente.
Cuando estas condiciones se dan, el filtro pasivo puede ofrecer una respuesta eficaz y precisa. En instalaciones con un nivel de contaminación moderado el filtro diferencial Pasivo cumplirá su cometido sobradamente.
Los filtros pasivos tienen la ventaja de ser más pequeños que los Activos, y además son más económicos. Los filtros pasivos no requieren una fuente de alimentación externa.
Los filtros pasivos son relativamente estables porque no tienen un amplificador que introduzca ruido y distorsión. Por lo general, pueden funcionar durante mucho tiempo sin necesidad de ajustes.
Cuándo no conviene colocar un filtro pasivo
Si incluso una de estas condiciones no se cumple, especialmente si el espectro cambia con frecuencia, el neutro es crítico o la instalación está en constante evolución, conviene evaluar una solución activa o una arquitectura híbrida.
Los filtros pasivos tienen ciertas limitaciones, como la incapacidad de adaptarse a cambios en la carga o en la frecuencia de los armónicos, lo que puede afectar su eficiencia en aplicaciones dinámicas.
Un filtro pasivo no mira el resto de la instalación. Si su vecino (o la red eléctrica) emite mucha contaminación en el 5º armónico, su filtro pasivo intentará absorberla ("efecto esponja"). Esto puede sobrecargar el filtro.
Cuándo elegir un filtro activo
Por otro lado, los filtros activos representan una solución más avanzada y flexible. A diferencia de los pasivos, estos filtros utilizan dispositivos electrónicos de potencia, como transistores IGBT o MOSFET, para generar una señal de compensación en tiempo real.
Esta señal es igual y opuesta a los armónicos detectados, lo que permite cancelar eficazmente las distorsiones. Generalmente, estos filtros se conectan en paralelo con la carga, inyectando corriente para compensar los armónicos generados.
El filtro activo se convierte generalmente en una elección más convincente cuando se da una o más de las siguientes condiciones:
- Espectro armónico variable durante los ciclos de producción y los cambios de carga.
- Numerosas fuentes no lineales distribuidas en varios cuadros.
- Ampliaciones frecuentes o retrofit en los que se quiere evitar el riesgo de resonancias no deseadas.
- Presencia importante del 3.º armónico y neutro crítico.
- Disparos de protecciones, hotspots o sobrecalentamientos recurrentes.
- Necesidad de obtener resultados estables a lo largo del tiempo, incluso cuando el parque de cargas cambia.
Los filtros activos requieren una instalación más compleja, ya que incluyen un sistema de control que monitoriza continuamente la forma de onda de la corriente y ajusta la señal de compensación en función de las variaciones detectadas.
La precisión y velocidad de respuesta de los filtros activos los hacen ideales para aplicaciones en las que la carga varía constantemente, como en sistemas industriales o plantas de energía renovable.
Cuatro factores que deben analizarse antes de elegir
THDi y espectro armónico
El primer criterio diferenciador real no es el nombre de la tecnología, sino el comportamiento real de los armónicos a lo largo del tiempo.
Si el espectro es bastante estable, con pocos armónicos dominantes y cargas predecibles, una solución pasiva puede tener más sentido. Si, por el contrario, los armónicos varían en función de los ciclos de producción, los arranques, los turnos o la evolución de la instalación, una solución activa tiende a ser más robusta.
No basta con saber que «el THDi es alto». Hay que entender cuánto de alto es; qué armónicos dominan; si el perfil es estable o cambia a lo largo del día; si el problema está concentrado o distribuido.
Número y ubicación de las fuentes armónicas
Una instalación con una sola fuente armónica importante es muy distinta de una en la que las fuentes son muchas, dispersas y distribuidas en varios cuadros.
Pocas fuentes concentradas favorecen enfoques más localizados; muchas fuentes difusas hacen a menudo más útil una lógica dinámica y modular; las instalaciones que han crecido por estratificación casi siempre requieren una lectura arquitectónica, no solo cuadro por cuadro.
Tipo de red y presencia del neutro
En presencia de muchas cargas monofásicas, iluminación LED, fuentes de alimentación conmutadas, UPS y oficinas distribuidas, el problema no se limita a la distorsión en las fases: el neutro también entra en juego, especialmente cuando el 3.º armónico es significativo.
Si la red es trifásica + neutro, ignorar el neutro y los armónicos triplen puede llevar a una elección incompleta.
En algunos casos, el problema percibido en campo no proviene tanto de la energía reactiva o de un único armónico dominante, sino de un conjunto de cargas monofásicas que sobrecargan el neutro y hacen más inestable el comportamiento global.
Limitaciones del retrofit
Incluso la solución técnicamente correcta puede resultar poco adecuada si no tiene en cuenta el contexto real: espacio disponible reducido; ventilación limitada; dificultad de acceso; imposibilidad de paradas prolongadas de la instalación; presencia de compensación de energía reactiva existente; necesidad de intervenir en fases sucesivas.
En un retrofit, el mejor filtro no es el «más eficiente en términos absolutos», sino el que resuelve el problema sin introducir efectos secundarios o complejidades inmanejables.
Dónde colocar el filtro pasivo
Filtro central en el cuadro general
Un filtro central tiene sentido cuando el problema está suficientemente distribuido y se desea una mejora global; se necesita una solución más centralizada; la instalación puede analizarse desde un punto de alimentación principal; la distribución de los armónicos no requiere correcciones demasiado localizadas.
Su ventaja es la visión global e intervención centralizada. Su limitación es que puede ser menos eficaz si los armónicos están muy concentrados cerca de fuentes o zonas específicas.
Filtros por zona
Instalar la corrección cerca de las fuentes suele ser más eficaz cuando el problema surge en áreas concretas de la instalación.
Esta solución es útil cuando los armónicos están concentrados en una o más zonas; las cargas no lineales son bien identificables; se quiere actuar cerca de la fuente del perturbador; la instalación presenta comportamientos muy diferentes de una zona a otra.
Su ventaja es una mayor eficacia local y mejor control de las fuentes. Su limitación es un proyecto más distribuido, con más puntos a coordinar.
Arquitectura híbrida
Es un esquema muy sensato en instalaciones que han crecido por estratificación sucesiva, con una parte de perturbación difusa y otra muy concentrada.
Aquí el objetivo no es elegir «una sola ubicación correcta», sino combinar una corrección general aguas arriba y una mitigación dedicada donde las fuentes son más críticas.
La ventaja es una mayor flexibilidad. La limitación es que requiere un análisis y una coordinación más cuidadosos.
Protección de puntos críticos
En algunos casos, la prioridad no es mejorar toda la red, sino proteger una línea, una carga sensible o una zona de alto valor operativo.
Es el caso, por ejemplo, de líneas con equipos electrónicos sensibles; zonas de proceso críticas; secciones donde incluso pequeñas anomalías provocan paradas o perturbaciones relevantes.
Aquí el filtro se convierte en un instrumento de protección selectiva, no solo de mejora general.
| Arquitectura | Ventaja | Limitación | Escenario típico |
|---|---|---|---|
| Filtro central | Intervención global y centralizada | Menos preciso en fuentes locales | Instalación con perturbación distribuida |
| Filtros por zona | Mayor eficacia cerca de las fuentes | Más puntos a coordinar | Zonas con cargas no lineales concentradas |
| Solución híbrida | Flexibilidad y mayor cobertura | Proyecto más complejo | Instalaciones ampliadas a lo largo del tiempo |
| Puntos críticos | Protección dirigida de líneas sensibles | No resuelve todo el sistema | Cargas o procesos de alta criticidad |
Aplicaciones donde suele utilizarse un filtro pasivo
Esto se ve mucho en sistemas HVAC (grandes ventiladores y enfriadoras), gestión del agua (bombas pesadas en funcionamiento continuo), aplicaciones marinas (propulsión y propulsores), extrusoras y prensas industriales.
En aplicaciones de electrónica de potencia, los filtros activos y pasivos son esenciales para garantizar un funcionamiento estable y eficiente de equipos como inversores, convertidores y sistemas de energía renovable.
Variadores de frecuencia
Los dispositivos no lineales, como rectificadores, inversores y cargas electrónicas, alteran la forma de la corriente o la tensión en la red.
Los sistemas de variadores de velocidad para motores eléctricos son ampliamente utilizados en la industria para controlar la velocidad y el par de los motores eléctricos, pero también pueden generar armónicos debido a su funcionamiento no lineal.
La incorporación de filtros en estos sistemas no solo protege el motor y otros componentes del sistema eléctrico, sino que también mejora la eficiencia energética y prolonga la vida útil del equipo.
Plantas solares fotovoltaicas
Por ejemplo, en una planta solar fotovoltaica, los inversores convierten la corriente continua generada por los paneles solares en corriente alterna para la red.
Durante este proceso, se pueden generar armónicos que, si no se controlan, afectarían la calidad de la energía suministrada.
La instalación de filtros activos permite compensar estos armónicos en tiempo real, asegurando una señal limpia y estable.
Los inversores de paneles solares y los controladores de iluminación LED son cargas no lineales que provocan armónicos y a veces supraarmónicos.
HVAC, bombas y cargas industriales estables
Los filtros pasivos son ideales para instalaciones con uno o pocos contaminadores grandes y estables.
Cuando los armónicos están relacionados con grandes ventiladores, enfriadoras, bombas pesadas en funcionamiento continuo, propulsión, propulsores, extrusoras o prensas industriales, las frecuencias dominantes suelen ser suficientemente previsibles para estudiar una solución pasiva.
Centros de datos, UPS y edificios complejos
Aquí el tema central es la relación entre distorsión y fiabilidad. Las cargas suelen ser electrónicas, la continuidad es crítica y el seguimiento del rendimiento es esencial.
En oficinas técnicas, edificios complejos, estructuras terciarias o instalaciones con iluminación LED generalizada, el problema puede estar muy distribuido y ser menos intuitivo de analizar.
El filtro pasivo es menos adecuado si las cargas son difusas y heterogéneas. El filtro activo suele estar más indicado cuando el neutro y los armónicos triplen son relevantes.
Riesgo principal: la resonancia
Sin embargo, su aplicación requiere un diseño técnico preciso previo: un filtro pasivo mal dimensionado puede provocar una resonancia peligrosa con la impedancia de la red.
Instalar un filtro pasivo sin pruebas previas es arriesgado. Todo filtro pasivo, junto con la inductancia del transformador, forma un punto de resonancia.
Si este punto coincide con una frecuencia presente en la red, la tensión se excita extremadamente. Esto provoca fallos en los equipos e incluso riesgo de incendio.
La resonancia constituye el mayor riesgo del filtrado pasivo. Sin análisis y simulación de la red, un filtro pasivo puede amplificar la contaminación en lugar de atenuarla.
Olvidar la impedancia de la red: un filtro pasivo funciona sobre la base de relaciones de impedancia. Si no se conoce la impedancia de la red (o cambia debido a la conmutación de la red), el rendimiento del filtro es impredecible.
La conexión con baterías de condensadores existentes también debe analizarse, porque cualquier intervención sobre los armónicos debe coordinarse con la compensación de energía reactiva instalada.
Errores frecuentes al colocar un filtro pasivo
- Instalarlo sin medición previa: una medición de la calidad eléctrica es la única forma de identificar los armónicos como la causa definitiva.
- Omitir la simulación de resonancia: es el fallo más crítico del diseño.
- Ignorar la impedancia de la red: la respuesta del filtro puede cambiar si cambia la configuración de la red.
- Subestimar la contaminación de fondo: el filtro puede atraer corrientes armónicas procedentes de otras cargas o incluso del exterior.
- Dimensionar en kW: el filtrado armónico debe dimensionarse según la corriente armónica real a compensar.
- Colocarlo en el punto más cómodo: si los armónicos están concentrados en otro lugar, la comodidad de instalación puede traducirse en una eficacia reducida.
- Medir solo una instantánea: una medida puntual es útil, pero insuficiente cuando la instalación cambia según los turnos, los ciclos, las estaciones o las ampliaciones.
- Ignorar el neutro y el 3.º armónico: es especialmente problemático en redes trifásicas + neutro con muchas cargas monofásicas e iluminación LED.
- No verificar el resultado: sin una medida comparativa antes y después, el beneficio no queda demostrado.
- Ignorar el envejecimiento de los condensadores: los condensadores pierden capacidad con el tiempo y esto desplaza la frecuencia de sintonización del filtro.
- Colocar el filtro demasiado lejos de la fuente: el cableado intermedio queda cargado innecesariamente con corriente reactiva.
Cómo comprobar si se necesita un filtro
A menudo, solo se piensa en el filtrado cuando surgen problemas. Los siguientes síntomas suelen indicar un nivel demasiado alto de contaminación armónica, en cuyo caso un filtro pasivo puede ser la solución:
- Los transformadores o los cuadros principales de distribución emiten un zumbido claramente audible.
- Los disyuntores se disparan sin cortocircuito ni sobrecarga nominal.
- Los cables de alimentación se sienten calientes, mientras que la pinza amperimétrica indica un valor dentro de las especificaciones.
- Cuando se enciende la maquinaria pesada, la iluminación se atenúa o empieza a parpadear(Flicker).
- Los sistemas de bus (como Profibus o Modbus) fallan aleatoriamente.
- Los componentes electrónicos (PLC, controladores) fallan antes de lo que indica su vida útil.
Estos síntomas también pueden tener otras causas. Una medición de la calidad eléctrica es la única forma de identificar los armónicos como la causa definitiva.
Los síntomas suelen ser sutiles hasta que las cosas van mal. Preste atención a fallos inexplicables de las máquinas, luces parpadeantes, cables que se calientan o transformadores que zumban.
Procedimiento seguro para instalar un filtro pasivo
1. Realizar una medición inicial
Inserte un analizador de calidad eléctrica para trazar el espectro exacto (THDi, THDu y armónicos individuales) durante un periodo de al menos una semana.
Para obtener una imagen fiable, solemos medir al menos entre una y dos semanas. Esto es necesario para captar un ciclo de trabajo completo, incluidos los fines de semana y los picos de carga.
En caso de averías graves específicas, también podemos realizar mediciones a corto plazo o emplear el "registro continuo de forma de onda" para captar transitorios.
2. Analizar los datos
Analice los datos de medición. ¿Es estable la carga? ¿Qué armónicos son dominantes? ¿Cuál es la contaminación de fondo de la red?
Antes de elegir la tecnología, recopile el perfil de THDi a lo largo del tiempo; el espectro armónico con órdenes dominantes y variabilidad; el punto o puntos de medida; el tipo de red; la presencia del neutro y posible criticidad del 3.º armónico; la distribución de las fuentes armónicas; las limitaciones de instalación; la corrección de factor de potencia, en su caso; y el objetivo principal del proyecto.
3. Simular la red
Utilice software de simulación para modelar el filtro en su configuración de red específica. Compruebe dónde está el punto de resonancia y si se trata de una frecuencia segura.
La simulación debe tener en cuenta la impedancia de la red, el transformador, las baterías de condensadores, las posibles fuentes externas de armónicos y los distintos estados de funcionamiento de la instalación.
4. Seleccionar y dimensionar los componentes
Elija los componentes adecuados (L y C) para soportar el estrés térmico y eléctrico.
Los cálculos de los filtros pasivos se realizan mediante algoritmos matemáticos propios desarrollados por Montajes Alhama S.L.U., para la construccón de estos filtros es fundamental seleccionar componentes que dispongan de especificaciones que superen ampliamente los voltajes de empleo y las frecuencias de utilización, siendo las pérdidas de estos componentes extremadamente bajas.
5. Instalar y verificar
Instale el filtro y realice una medición de verificación para demostrar que se ha logrado la reducción de armónicos y no se producen resonancias.
Sin una medida comparativa, el resultado sigue siendo percibido, pero no demostrado. Un proyecto bien ejecutado debe contemplar también la verificación del beneficio obtenido.
Filtros pasivos para disparos intempestivos de protecciones diferenciales
El incremento de componentes electrónicos de potencia como variadores de frecuencia, inversores fotovoltaicos, SAIs, telecomunicaciones, arranques bruscos de cmotores, etc., en entornos industriales y terciarios provoca un notable aumento de los disparos intempestivos de los interruptores de protección diferencial.
En ocasiones nos hemos preguntado porque salta la protección diferencial sin motivo aparente, lo cierto es que siempre hay una razón, aunque no sea visible, y en dichas ocasiones localizar el origen del disparo diferencial puede suponer un quebradero de cabeza, y darle solución puede ser doblemente complicado.
Estos filtros eliminan el problema de los disparos reflejos y los disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, que causan paradas intermitentes de las máquinas y pérdidas de producción imprevistas.
El filtro se conecta en serie entre el transformador toroidal y el relé de protección diferencial. Se trata de un circuito eléctrico que tiene una banda de paso de frecuencias extremadamente estrecha, la cual solo deja pasar las frecuencias comprendidas entre 50 y 60 Hz como las de red.
De este modo las frecuencias elevadas provocadas por los pulsos, que tienen una duración menor que la frecuencia de la red, o las componentes de corriente continua provocadas por el funcionamiento de los variadores de frecuencia, y los armónicos de éstos, así como el ruido de las comunicaciones acoplado a las redes eléctricas, no provocaran el disparo de las protecciones diferenciales.
Las protecciones diferenciales solo actuaran en presencia de un defecto de aislamiento a la frecuencia de 50 a 60 Hz, discriminando todo lo demás.
Origen de los disparos fortuitos
Cuando se realizan pruebas de los dispositivos de protección contra defectos de aislamiento (prueba de disparo diferencial), sucede que el circuito que se dispara durante dicha prueba, sea carga capacitiva como una baterías de condensadores, variadores de frecuencia, o cargas inductivas como motores, transformadores, inductancias, etc., éstos circuitos descargan la energía acumulada devolviéndola a la red, durante el instante de la desconexión, provocando el efecto denominado “pulso transitorio de sobretensión de naturaleza inductiva o capacitiva”, es el típico chispazo que se producen durante una desconexión eléctrica en el interruptor o contactor.
La conexión o desconexión de motores de elevada potencia, así como las conmutaciones de redes en media y alta tensión, producen igualmente pulsos inductivos de sobretensión.
Estos pulsos tienen una duración muy breve, ósea, que la frecuencia de estos pulsos es muy alta, los mismos causan ondas oscilantes en la tensión de red de la misma frecuencia que el pulso, y por lo tanto, tienen una duración mayor que el propio pulso que las creó.
Este tipo de fenómenos es visto por las protecciones deferenciales como una falta de aislamiento, actuando y disparado para despejar el supuesto defecto.
Características del filtro diferencial pasivo
La diferencia entre los Filtros Diferenciales Pasivos y los Filtros Diferenciales Activos radica en la profundidad de atenuación de los Activos, que es muy superior al de los filtros Pasivos.
En instalaciones con un nivel de contaminación moderado el filtro diferencial Pasivo cumplirá su cometido sobradamente. Para instalaciones con contaminación muy severa donde el proceso alimentado por la energía eléctrica es crítico y no se puede detener, debemos de ampliar al máximo el nivel de filtrado, con el filtro Activo.
Los Filtros Diferenciales Pasivos tienen la ventaja de ser más pequeños que los Activos, y además son más económicos.
Otra diferencia entre filtros Pasivos y Activos, consiste en que el filtro Activo contiene en su interior una fuente de alimentación simétrica balanceada de alta precisión y ultra bajo ruido, que debe ser alimentada con 230 VAC, por su parte los filtros Pasivos no precisan alimentación.
La Alta Fidelidad de las ondas de corriente de defecto o fuga en las dos clases de filtro, Pasivo o Activo, las magnitudes de intensidad de corriente de fuga a las frecuencias de red de 50-60 Hz, inducidas por el transformador toroidal de medida diferencial, no sufren cambio alguno al paso por el filtro, a la salida de cualquiera de los dos modelos.
Gracias a ello las señales de corriente de defecto de fuga a masa o tierra que llegan al relé de protección diferencial, son de la misma magnitud original que se produjeron a la frecuencia de 50-60 Hz, eliminando todo lo demás.
Filtros pasivos para señales de baja y alta frecuencia
Los filtros pasivos comunes incluyen filtros RC, filtros RL, filtros LC, etc. Los filtros pasivos no tienen amplificadores, por lo que no pueden aumentar la intensidad de la señal.
Los filtros pasivos se basan principalmente en componentes pasivos (como condensadores, inductores, resistencias, etc.) para filtrar señales. Solo pueden procesar las partes de baja, media y alta frecuencia de la señal de entrada y filtrarlas por separado.
En la medida de corrientes de fuga a tierra, una pinza de diámetro pequeño con posibilidad de discriminar las corrientes a las frecuencias de la red de 50-60 Hz puede combinarse con una pinza o sensor de corriente de gran diámetro y un filtro selectivo de frecuencias a 50-60 Hz con amplificador para obtener la suficiente sensibilidad que nos permita medir corrientes del orden de 1 mA a la frecuencia de la red.
Los filtros de pase bajo de primer orden son la forma más simple de filtros de pase bajo, que consisten en una sola resistencia y condensador. Los filtros de pase bajo de segundo orden incorporan una resistencia, inductor y condensador.
La conexión en serie de un filtro de paso bajo con frecuencia de corte por ejemplo, de 2,25 KHz y un filtro de paso alto de 22 KHz, es equivalente a un filtro de banda.
Qué filtro colocar según el escenario
| Situación de la instalación | Elección orientativa |
|---|---|
| Uno o pocos contaminadores grandes y estables | Filtro pasivo sintonizado |
| Armónicos 5º y 7º dominantes y constantes | Ramas pasivas sintonizadas a 250 Hz y 350 Hz |
| Muchas fuentes no lineales distribuidas | Filtro activo o arquitectura híbrida |
| Cargas monofásicas, iluminación LED y neutro crítico | Evaluar especialmente una solución activa |
| Instalación ampliada sucesivamente | Filtro activo o solución híbrida |
| Una zona industrial claramente contaminante | Filtro pasivo instalado cerca de la fuente |
| Perturbación distribuida en toda la instalación | Filtro central |
| Fuentes localizadas y zonas con comportamientos diferentes | Filtros por zona |
| Disparos fortuitos de protecciones diferenciales por alta frecuencia | Filtro diferencial pasivo en serie entre el toroidal y el relé |
Qué datos debe contener la comprobación técnica
Una medición de la calidad de la energía proporciona la respuesta. Es posible realizar la medición siempre que se disponga de un analizador de calidad eléctrica de alta calidad (según la norma IEC 61000-4-30 Clase A) y de los conocimientos necesarios para interpretar los datos.
Recopilar datos es fácil; analizar la correlación entre eventos, armónicos y sus procesos empresariales específicos requiere conocimientos de ingeniería especializados.
La norma NEN-EN 50160 describe los requisitos mínimos de tensión en el punto de transferencia del operador de red. Sin embargo, los equipos modernos pueden ser más sensibles y funcionar mal aunque la tensión esté dentro de esta norma.
Por tanto, nosotros vamos más allá de la norma: nos fijamos en la compatibilidad entre el suministro eléctrico y la carga conectada.
Cuándo solicitar un estudio especializado
Considere el apoyo especializado si está pensando en instalar filtros pasivos en una instalación que también debe poder funcionar con energía de emergencia (generadores). Tenga en cuenta que las fluctuaciones de frecuencia de los generadores hacen que los filtros pasivos sean complejos.
También es necesario cuando existen estrictos requisitos del operador de la red y debe presentarse un informe de conformidad, o cuando hay dudas sobre una posible resonancia con baterías de condensadores existentes.
Busque garantías mediante la simulación antes de invertir en hardware.
Un filtro es una herramienta potente, pero no la panacea. A veces, la solución pasa por cambiar la configuración de los transformadores, redistribuir las cargas o ajustar el cableado.
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