Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay, Francia)
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En la actualidad, la calidad de la energía eléctrica es un factor crucial para garantizar el funcionamiento eficiente y seguro de los sistemas eléctricos y electrónicos. Con la creciente complejidad de las redes de distribución y la incorporación de tecnologías avanzadas, como inversores, convertidores y sistemas de energía renovable, la necesidad de mantener una energía libre de distorsiones es más importante que nunca. En este contexto, los filtros activos y pasivos desempeñan un papel fundamental en la reducción de armónicos, la corrección del factor de potencia y la mitigación de otros problemas relacionados con la calidad de la energía (power quality en inglés).
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. 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.
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). 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. Estos filtros suelen instalarse en paralelo con la carga y actúan como “sumideros” de corriente armónica. Sin embargo, 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.
Los filtros pasivos se dividen en varias categorías. Los más comunes son los filtros de sintonización única, diseñados para eliminar un armónico específico, y los filtros de paso bajo, que atenúan todas las frecuencias superiores a un valor determinado. También existen los filtros de banda, utilizados para eliminar un rango específico de armónicos. 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 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. 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. Generalmente, estos filtros se conectan en paralelo con la carga, inyectando corriente para compensar los armónicos generados.
La implementación de un filtro activo implica varios componentes clave. Primero, los sensores de corriente captan la señal de la red eléctrica y la envían a un controlador, ya sea microprocesador o DSP (Digital Signal Processor). Este controlador utiliza algoritmos para identificar las frecuencias armónicas presentes y generar una señal de control. Los transistores IGBT o MOSFET del filtro se encargan de convertir esta señal en una corriente de compensación, que se inyecta de nuevo en la red para cancelar los armónicos. 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.
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. 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.
Otra aplicación importante se encuentra en los sistemas de variadores de velocidad para motores eléctricos. Estos dispositivos 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.
En resumen, los filtros activos y pasivos son herramientas indispensables en la ingeniería eléctrica y electrónica moderna para mantener la calidad de la energía en niveles óptimos. Al reducir la distorsión armónica y corregir el factor de potencia, no solo se protegen los equipos y se mejora su rendimiento, sino que también se contribuye a una operación más eficiente y sostenible de los sistemas eléctricos. La integración adecuada de estas tecnologías es clave para enfrentar los desafíos de un entorno energético cada vez más complejo y exigente.
Fuente:
Mohan, N., Undeland, T. M., & Robbins, W. P. (2003). Power electronics: Converters, applications, and design (3rd ed.). Wiley.
