CFP en redes con Armónicas. Diseño de Filtros Desintonizados. CFP Premium 2

Transcripción

1 CFP en redes con Armónicas. Diseño de Filtros Desintonizados CFP Premium

2 Objetivos: Corregir el Factor de Potencia Evitar resonancia paralelo Filtrar corrientes armónicas CFP con Filtros Desintonizados

3 V I L I1 I 5 I 7 0 π π Cargas no lineales

4 AC Current Voltage Current LOAD rmonicas generadas por un rectificador

5 Variadores de velocidad Deformación de la tensión y corriente fuertemente distorcionada Pulsos de conmutación pueden interferir otras cargas sensibles conectadas en paralelo. rmónicas generadas por motor drives

6 Voltage characteristic at at the the drive converter output (PWM) 100% 80% 6-pulse 1-pulse 60% 40% 0% Current characteristic at at the the drive converter output 0% pulse 100,00% 9,00% 9,00% 6,00% 3,50%,50%,00% 1,0% 1,10% 1-pulse 100,00%,90% 0,90% 6,00% 3,50% 0,5% 0,0% 1,0% 1,10% Order number Rectificadores 6 y 1 pulsos

7 Rectificador de 6 pulsos

8 Sobrecalentamiento de transformadores y motores Sobrecarga de Neutro / tensiones Neutro-tierra inaceptables Fallas en bancos de capacitores Actuación de interruptores y fusibles Interferencia sobre equipos electrónicos sensibles Registro erróneo de medidores de enregía Energía desperdiciada / mayores costos de kw y kwh Desperdicio de capacidad de distribución de energía Mayores costos de mantenimiento de equipo de distribución eléctrica y de maquinaria Problemas causados por armónicas

9 Sin capacitores de CFP Meter: 0001 K-factor: Volts : 77 Frequency:60.01 Hz H# % φ H# % φ T.H.D.:.8% max:.9% min: 0.5% Meter: 0001 K-factor: Amps : 1716 Frequency:60.01 Hz H# % φ H# % φ T.H.D.: 13.6% max: 18.1% min:.1% Con capacitores de CFP Meter: 0001 K-factor: 1.89 Volts: 90 Frequency:59.97 Hz H# % φ H# % φ T.H.D.: 18.8% max: 1.6% min: 1.9% Meter: 0001 K-factor: 3.38 Amps: 033 Frequency: Hz H# % φ H# % φ T.H.D.: 89.5% max: 15.3% min: 3.6% Tensión Corriente Amplificación de armónicas con CFP standard sin filtros.

10 Generador de tensión constante: I n Vn Z V n V I n n = Z I n Generador de corriente constante: I n Z V n I n V n = Z. I n I n Generadores de tensión y corriente

11 Transformador y carga no lineal I 1 +I n V 1 V 1 +V n Z L I n Z T Trafo Carga no lineal Circuito eléctrico equivalente

12 L C R I I L I C I FAr = Q = Qc. Pcc P Amplificación de corrientes

13 Scc S =. 100 U cc% Scc en transformadores de distribución

14 Las corrientes armónicas son generadas por las cargas no lineales y circulan por toda la instalación. Generando a la vez sobretensiones armónicas. A IZ AO I (Ω) Impedancia sin capacitores Lsc + L T In O cargas f 1 f 5 Espectro de corrientes armónicas existentes f (Hz) Redes con armónicas y bajo FP.

15 Al instalar capacitores para CFP, se forma un circuito resonante paralelo que puede ser excitado por corrientes armónicas existentes, creando alto riesgo para todos los componentes de la instalación. Lsc + L T A C In IZ AO I (Ω) Impedancia con capacitors Impedancia sin capacitores O cargas f 1 f 5 f p Espectro de corrientes armónicas existentes f (Hz) Vn = Z AOn In f p = π 1 ( LSC +L T ) C 1 = π LT C Resonancia paralelo

16 IZ AO I (Ω) A Impedancia con Filtro Desintonizado Impedancia con capacitores Impedancia sin capacitores L T L R C In O cargas f 1 f p f s f 5 Espectro de corrientes armónicas existentes f (Hz) V n = Z AOn. I n Nueva f p = π ( LT +L R ) C 1 n p = Ssc Qc Filtros desintonizados

17 Resonancia Paralelo Análisis de Riesgo Ejemplo Trafo S = 150 kva Ucc%= 5% Scc=5000 kva n r = Scc Qc Q c = n 5 Q c = n 7 Q c = n 11 Scc 5000 = = 1000 kvar 5 Scc 5000 = = 510 kvar 7 Scc 5000 = 11 = 07 kvar Con estos valores de Qc, y especialmente con baja carga, si hay corrientes armónicas de estas frecuencias hay riesgo de sobretensión y sobrecorrientes por resonancia paralelo. Análisis de riesgo de resonancia

18 EJEMPLO: Trafo S = 150 kva Ucc%= 5% Scc=5000 kva P = 600 kw FP= => Qc = kw = 500 kvar n r = Scc = Qc 5000 kva 500 kvar = 7 armónica Qc. Scc FAr = = P 500 kvar KVA 600 kw = 6 veces Resonancia paralelo - Ejemplo

19 TRAFO: S = 150 kva Ucc%= 5% V=400V In=1800A Scc=5000KVA CARGA: P = 600 kw FP= KVA I 1 = 138 A Suponiendo que además hay 100 A de 7 armónica, será: It rms = = 14 A THDI = 100 = 8% 138 I L I 7 V 1 It rms I 7 = 100 A Resonancia paralelo - Ejemplo

20 Corrigiendo con 500KVAR Ic = 7 A da resonancia en 7 P = 600 kw FP= KVA I 1 = 884 A Qc. Scc FAr = = P 500 kvar KVA 600 kw = 6 veces It rms = = 1068 A THDI = 600 = 68% 138 I 1 6xI 7 I L I 7 I 7 V 1 It rms 6xI 7 I C I L I 7 Resonancia paralelo - Ejemplo

21 500KVAR Ic = 7 A Además causa resonancia en 7 amplificándola 6 veces Qc. Scc FAr = = P 500 kvar KVA 600 kw = 6 veces Ic rms = = 939 A THDIc = 600 = 83% 7 I 1 6xI 7 I L I 7 V 1 It rms 6xI 7 I C I L I 7 I 7 Sobrecarga del capacitor Icrms Ic = 939 A 7 A = 1.3 Resonancia paralelo - Ejemplo

22 Sin capacitores: FP = 0.70 It rms = = 14 A THDI = 100 = 8% 138 Con capacitores en resonancia: FP = 0.98 It rms = = 1068 A THDI = 600 = 68% 138 Ic rms = = 939 A THDIc = 600 = 83% 7 Ic rms = 939 A = 1.3 Ic 7 A Resonancia paralelo - Ejemplo

23 Generación de tensiones armónicas I n V n = Z n. I n Z n V n I n THDV = V n V 1 Tensiones armónicas

24 Z 7 = 0.06 Ω Z 3 = 0.03 Ω V 7 = 0.06 Ω. 100 A = 6 V Z 5 = Ω THDV = 6 = 1.5 % 400 THDV sin capacitores

25 Z 7 = 0.1 Ω Z 3 = 0.04 Ω V 7 = 0.1 Ω. 100 A = 1 V Z 5 = 0.08 Ω THDV = 1 = 3 % 400 THDV con 500KVAR solos

26 Z 7 = 0.04 Ω Z 3 = 0.04 Ω V 7 = 0.04 Ω. 100 A = 4 V Z 5 = 0.05 Ω THDV = 4 = 1 % 400 THDV con 500KVAR desintonizados 7%

27 Z 7 = Ω V 7 = Ω. 100 A = 3.5 V Z 3 = 0.04 Ω Z 5 = Ω THDV = 3.5 = 0.85 % 400 THDV con 500KVAR desintonizados 5.67%

28 Z 7 = 0.05 Ω V 7 = 0.05 Ω. 100 A = 5 V Z 3 = 0.0 Ω Z 5 = Ω THDV = 5 = 1.5 % 400 THDV con 500KVAR desintonizados 14%

29 En edificios comerciales, generalmente la 3 armónica es la dominante debido a la iluminación, a las computadoras y a las cargas monofásicas. En plantas industriales, generalmente la 5 armónica es la dominante debido al control de cargas de potencia trifásicas. Cual es la armónica dominante?

30 MVA Corriente Sin Con Con Armónica Capacitor Capacitor Filtro D 415 V A 740 A 740 A 5 65 A 668 A 35 A DC Drives 980 Kw 800 Kvar 7 70 A 78A 60 A A 57 A 4 A THD-V 5.1 % % 4.5 % FP % 0.95 % 0.95 % Comparación de tecnologías de CFP

31 Criterio para uso de filtros desintonizados Medir siempre en el interruptor principal las THDs sin capacitores (sc) Usar CFP standard, verificar resonancia y considerar Vcap > Vreal. Usar CFP desintonizada de acuerdo a la armónica dominante: Si es la 3ra armónica usar p=14% Si es la 5ta armónica o superior usar p=7% Usar CFP sintonizada a la armónica dominante Necesidad de filtrar armónicas

32 Se selecciona de acuerdo a la potencia efectiva a 50/60Hz y a la primera armónica predominante a filtrar o bloquear. Para filtrar p 50Hz 60Hz 3 Armónica 14% 134Hz 161Hz 5 Armónica 7% 189Hz 5Hz p = 7% absorbe controladamente 5 armónica hasta un 35% p = 14% solo bloquea el paso desde 3 armónica por los capacitores. Selección del Factor de Desintonia

33 Tensiones standard: V-50/60Hz Potencias standard: kvar Desintonías standard: 7 14 % Pérdidas muy bajas. Alta linealidad. Incluyen protección térmica. Reactores para CFP Desintonizada

34 Máximas THDVs de los reactores

35 Corrección del Factor de Potencia Reducción de armónicas Reducción de pérdidas ohmicas, ahorro real de energía kwh Eliminación de regargos por bajo Factor de Potencia Mejoramiento de la calidad de energía Protección del medio ambiente y ahorro de RNNR Reducción de inversiones en equipos de distribución eléctrica (transformadores, tableros y líneas de distribución) Reducción de costos de mantenimiento y pédidas de producción por paradas inesperadas. Mejoramiento de la estabilidad de los procesos productivos. Beneficios de la CFP Desintonizada

36 Ejemplo de cálculo Q e = 5 kvar - 400V - 50Hz - 7 % El inductor se selecciona por la potencia efectiva en 400V y para p=7% y por lo tanto será un reactor de 5kVAr-400V-50Hz-7% Aunque la red es de 400V, por la desintonia la tensión sobre el capacitor será: U C = U N p = 400 V. 100 = 430 V se debe usar un cap. de 440 V Cálculo de la potencia nominal del capacitor Qc, especificada para U C = 440V, para obtener una potencia efectiva de 5 kvar en 400V con con reactor con p=7% Q c = 1 - p 100. U C. Q e = U N kvar = 8 kvar (440V-50Hz) 400 Cálculo de un filtro desintonizado

37 KIT para 5 kvar - 400V - 50Hz - 7 % Compuesto por: 1 reactor 5kVAr-400V-50Hz-7% B44066D705x400 1 PhiCap 8kVAr-440V-50Hz B3344D48A040 1 Contactor Imax=36A B44066S310J30 3 fusibles NH-63A NOTAS: También se puede usar el modelo PhaseCap B5667B4467A375. Un capacitor de 8kVAr-440V-50Hz cuando es usado sin reactor en serie: - a 415V entrega = 5kVAr - a 400V entrega = 3kVAr KIT para 400V-50Hz

38 Ejemplo de cálculo Q e = 50 kvar - 400V - 50Hz - 7 % El inductor se selecciona por la potencia efectiva en 400V y para p=7% y por lo tanto será un reactor de 50kVAr-400V-50Hz-7% Aunque la red es de 400V, por la desintonia la tensión sobre el capacitor será: U C = U N p = 400 V. 100 = 430 V se debe usar un cap. de 440 V Cálculo de la potencia nominal del capacitor Qc, especificada para U C = 440V, para obtener una potencia efectiva de 50 kvar en 400V con con reactor con p=7% Q c = 1 - p 100. U C. Q e = U N kvar = 56 kvar (440V-50Hz) 400 Cálculo de un filtro desintonizado

39 KIT para 50 kvar - 400V - 50Hz - 7 % Compuesto por: 1 reactor 50kVAr-400V-50Hz-7% B44066D7050x400 PhiCap 8kVAr-440V-50Hz B3344D48A040 1 Contactor Imax=7A B44066S610J30 3 fusibles NH-15A NOTAS: También se puede usar el modelo PhaseCap B5667B4467A375. Un capacitor de 8kVAr-440V-50Hz cuando es usado sin reactor en serie: - a 415V entrega = 5kVAr - a 400V entrega = 3kVAr KIT para 400V-50Hz

40 Componentes para Filtros Desintonizados - Los componentes son seleccionados de acuerdo a: Potencia efectiva deseada Contenido armónico de la carga Factor de desintonia elegido Sobretensión en los capacitores - Tener especial cuidado con: análisis previo, diseño de aplicación diseño de panel ventilación forzada.5 m 3 /h por KVAR Filtros desintonizados

41 Construcción de Filtro Desintonizado Capacitores preferentemente montados en posición horizontal, en bandeja sin conducción térmica al reactor y en distinta línea vertical. Reactor montado sobre perfiles para permitir circulación de aire entre los núcleos. Ventilación forzada abundante. Termo-switch en serie con el circuito de comando del contactor. CFP-FD Recomendaciones