Estudio experimental del filtro

El estudio consiste en determinar y en experimentar un filtro de tipo pasivo en la alimentación del baño de desengrasado electrolítico del tratamiento de la superficie. Este baño es alimentado por un generador de 10 V – 50 A de corriente continua rectificada y obtenida a partir de la red alterna monofásica.

Las medidas realizadas. El primer paso consiste en detectar y evaluar, midiendo, la presencia de una distorsión armónica a la entrada de la alimentación. El dispositivo de medida utilizado para ello consta de pinzas medidoras de armónicos que permite calificar la contaminación armónica midiendo directamente el factor de distorsión global y un sistema de adquisición que asegura la recuperación de las señales eléctricas y su análisis armónico mediante la descomposición de la señal, con el fin de obtener la amplitud de cada armónico existente.

Observación. En este contexto, el sistema de adquisición habría podido ser reemplazado por un osciloscopio sencillo conectado a la salida analógica de las pinzas medidoras, siendo la finalidad simplemente visualizar la forma de las señales eléctricas de corriente y de tensión. En efecto, el sistema de adquisición permite aquí descomponer la señal para conocer la amplitud de cada armónico. Precisamos que esta descomposición armónica puede realizarse utilizando unas pinzas medidoras de armónicos. Este útil proporciona la amplitud de cada armónico a partir de la señal medida. Además, se aprecia que dependiendo del equipo del que se disponga y del detalle de las medidas que se desee obtener, el equipo puede variar, lo que hace necesario un buen conocimiento del proceso y del nivel de análisis deseado en lo referente a la instalación estudiada.

El sistema de tratamiento de superficies TS3000 se instala en un taller y requiere varios equipos eléctricos de potencia. Se alimenta mediante un transformador de 5,7 kVA con una red trifásica de 400 V. Las medidas obtenidas se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Mediadas realizadas en la entrada del generador de corriente.

Análisis e interpretación de los resultados. Las medidas obtenidas se han tomado cuando el generador de corriente entregaba 20 A para 10 V en el baño de desengresado electrolítico. Los valores indicados en la tabla 1 corresponden a la corriente y la tensión en la entrada del generador de corriente, es decir, en la entrada del rectificador. La descomposición de las señales de tensión y de corriente se obtienen mediante el software de tratamiento de datos, cuyos resultados se muestran en la tabla 2. Las medidas obtenidas reflejan la presencia de armónicos, presencia revelada por la lectura del factor de distorsión global (31%) y del factor de pico corriente que no tendrá ya, por tanto, una forma sinusoidal, como se puede ver en la figura 1.

Tabla 2. Resultados del análisis de armónicos.

Figura 1. Forma de corriente absorbida por el generador de corriente.

La alimentación del sistema se realiza mediante un transformador de 5,7 kVA. Esto hace que aparezca una impedancia relativamente alta para una potencia moderada y contribuye a la generación de armónicos en tensión, que se traduce en un factor global en tensión de 4,9%. La tensión resultante se representa en la figura 2. La tensión en la entrada del generador de corriente se ve, entonces, afectada por la contaminación armónica.

Figura 2. Forma de la tensión en la entrada del generador de corriente.

El análisis de armónicos (tabla 2) demuestra la presencia de los armónicos de orden 3, 5, 7, 9, 11,13.

El armónico de orden 3 representa el 21% de la componente fundamental y el armónico de orden 5 es aproximadamente el 11% de la componente fundamental.

Evolución de la contaminación armónica producida por el equipo. El factor global de distorsión armónica en tensión, cercano a los valores límites establecidos en este dominio, correría el riesgo de ver aumentar su valor cuando se hace que el generador suministre una corriente mayor. En efecto, los cálculos se han realizado para una corriente suministrada por el rectificador de 20 A y éste puede suministrar hasta 50 A. Por tanto, la alimentación constituida por el rectificador de tiristores puede, en determinadas condiciones de funcionamiento, generar una contaminación armónica no despreciable. Los valores de distorsión armónica en corriente van a permitir, con el objetivo de atenuar la contaminación, estudiar el espectro de la señal y seleccionar los armónicos representativos y responsables de la distorsión de la señal de corriente, con el fin de realizar el filtrado de las frecuencias que causan el problema.

Filtrado recomendado. La limitación de las corrientes armónicas en esta red puede realizarse gracias al empleo de filtros pasivos resonantes en derivación. Existen dos tipos básicos de filtros pasivos que permiten reducir los fenómenos armónicos: El filtro resonante en derivación y el filtro amortiguador.

Para este estudio, se ha empleado el principio del filtro resonante en derivación para reducir la contaminación armónica. Este filtro está formado por una rama LC serie, cuya frecuencia de sintonización viene dada por la expresión siguiente:

Esta frecuencia de sintonización debe encontrarse en la frecuencia del armónico que se ha de eliminar. El circuito resonante en derivación presenta entonces para la frecuencia fr una impedancia mínima igual a la resistencia r. Se deriva de este modo casi toda la corriente armónica inyectada por la fuente contaminante de frecuencia fr. Debe haber en principio tantos filtros resonantes en derivación como armónicos haya que tratar.

Características del filtro. La impedancia característica se expresa del siguiente modo:

Donde r es el valor de la resistencia de la inductancia.
Como hemos mencionado al principio de este capítulo, un filtro eficaz debe tener un alto facto de calidad, superior a 75, por las inductancias de hierro.
La banda de paso es entonces:

Dimensionamiento del filtro. En este estudio, nos limitaremos al filtrado de los armónicos de orden 3 y 5. El montaje de los filtros se muestra en la figura 3.

Figura 3. Esquema del filtro resonante.

Para tratar armónicos de orden 3 y 5, los filtros deben tener frecuencias de resonancias de 150 Hz y de 250 Hz, respectivamente, teniendo cada uno de ellos un factor de calidad superior a 75. Para un valor de capacidad seleccionado obtenemos: