Armónicas de todo tipo, solución: Active Filter

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1 Case story Armónicas de todo tipo, solución: Active Filter

2 1 Armónicas de todo tipo, solución: Active Filter Para una buena solución de armónicas, solo con un buen estudio y con la herramienta adecuada, como dicen los gringos, the right tools for the right job. Una corrugadora de Tijuana, dedicada a la fabricación de cajas de cartón e impresiones de alta resolución, nos hablaron debido a que sus maquinas de impresión estaban teniendo problemas de calidad de energía. La máquina de impresión de alta velocidad, contiene unos focos ultravioleta los cuales trabajan a muy alto voltaje, aproximadamente 2000 Volts. Estaban teniendo problemas con los transformadores que elevan el voltaje, los focos estaban fallando y los capacitores que ayudan a energizar el foco se estaban quemando. Adicionalmente la maquina tiene un drive de DC de 125 hp, un generador natural de armónicas y notches. Algo importante que notamos en el Drive es que ya contaba con un transformador de aislamiento, el cual ayudara a que nos notches de voltaje no sean tan pronunciados. Para conocer a fondo el problema, la empresa contrato a un ingeniero local para que les hiciera unas mediciones, pero el Ingeniero se dio cuenta que su analizador de PQ se saturaba de información a los 2 minutos debido a que su memoria era muy limitada. Gracias a la deficiencia de su equipo nos dieron la oportunidad de hacer mediciones, después de 3 años de estar tocando puertas en esta misma empresa. Conectamos nuestros Dranetz directamente en el equipo eléctrico que estaba teniendo problemas, y adicionalmente le comente al cliente que sería importante también medir en el tablero general que alimenta a estas cargas para tener un panorama más general y hacer las recomendaciones apropiadas.

3 2 Se iniciaron las mediciones al mismo tiempo tanto en la maquina afectada, como en el transformador de 2000 kva en 480 que alimenta a estas cargas principales. Lo primero que notamos en la subestación fueron cantidades grandes de transitorios eléctricos y distorsión armónica en voltaje, con notches pronunciados, algo que no me sorprende debido a la presencia del Drive de directa.

4 3 Gráfica 1.1 En la gráfica 1.1 y 1.2 se puede ver este efecto. Gráfica 1.2 Después de analizar la forma de onda de voltaje, se analizo la forma de onda de corriente, mostrada en la gráfica 1.3. Gráfica 1.3

5 4 Las formas de onda son buenos indicadores de presencia de problemas de calidad de energía pero no son medibles, por lo que se prosiguió a analizar el THDi en porcentaje, así como también el espectro normalizado y el amperaje armónico de cada frecuencia importante para poder dimensionar en su momento un filtro. Gráfica 1.4 THD de corriente en % La gráfica 1.4 nos muestra claramente un nivel de distorsión fuera del estándar IEEE , pero no nos ayuda a conocer qué armónicas están presentes, por lo que se muestra a continuación el espectro normalizado y el amperaje armónico de frecuencias características y el amperaje total armónico, para saber que tanto amperaje tendrá que soportar el filtro.

6 5 Gráfica 1.5 Espectro Normalizado en corriente Gráfica 1.6 Amperaje total armónico La gráfica 1.5 nos sorprendió ya que nos dimos cuenta que hay presencia de 2da armónica, asi como también 3ra, 5ta y 7ma. Viendo el espectro me di cuenta que un filtro pasivo no nos ayudaría a filtrar, ya que la 2da y 3ra quedarían en peligro de entrar en resonancia paralela con el sistema. Analizando la gráfica 1.6 podemos darnos cuenta que un filtro a instalar tendría que soportar entre 80 y 90 amperes, a la hora de su diseño.

7 6 Gráfica 1.7 Amperaje de Segunda Armónica Ah2 Gráfica 1.8 Amperaje de Tercera Armónica Ah3

8 7 Gráfica 1.9 Amperaje de Quinta Armónica Ah5 Estudiando las gráficas anteriores nos dimos cuenta que un filtro pasivo quedaría descartado por el efecto de resonancia antes mencionado. Los Filtros Activos (AHF) no filtran armónicas pares, por lo que la segunda armónica quedaría con el amperaje actual pero sin peligro de incrementarse. Se le planteo al cliente que estaríamos atacando las armónicas de 3ra en adelante con un filtro activo, y los transitorios eléctricos con un supresor (SPD) de 400 ka en el tablero principal y otro de 160 ka para la máquina con problemas. Después de instalar el AHF y SPD, se hizo un segundo monitoreo para ver los beneficios.

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10 9 A continuación se muestran los resultados con mediciones Dranetz y el display que muestra el equipo. Gráfica 1.10 Comparativo Filtro Activo lado carga (L) y lado fuente (S) En el display anterior podemos observar un THD inicial de 13.3% en corriente que tiene el lado carga, mejorándolo a 3.4% con el efecto del AHF. También se puede apreciar una elevación pequeña del factor de potencia por los capacitores del mismo AHF.

11 10 En esta gráfica se aprecia como el AHF mejora la forma de onda en el lado fuente (S), comparado con el lado carga (L). Esto ayuda a limpiar todo el bus de 480V para que todo equipo conectado a él reciba una forma de onda limpia de voltaje. Gráfica 1.11 Comparativo Forma de Onda Corriente carga (L) y lado fuente (S) Vemos claro la reducción del nivel de THD en el lado fuente con el efecto del AHF a un 2.8%, estando dentro del estándar IEEE Gráfica 1.12 Comparativo Espectro de Corriente carga (L) y lado fuente (S)

12 11 A continuación se muestran las gráficas y formas de onda del Dranetz ya con el AHF y los SPD trabajando. Gráfica 1.13 Forma de Onda de Voltaje

13 12 Gráfica 1.14 Forma de Onda de Corriente

14 13 Gráfica 1.5 Distorsión Armónica Total %THDi

15 14 En las gráficas anteriores se ve claramente como el THDi se reduce sustancialmente. La reducción abajo del 5% no fue posible debido a la presencia de armónicas pares en el sistema como la 2da, la cual no es posible filtrarla con un AHF. Gráfica 1.16 Espectro normalizado de armónicas en corriente.

16 15 En la gráfica anterior se ve claramente como la 2da y 3ra armónica no entran en resonancia paralela debido a la instalación del AHF, a diferencia de un filtro pasivo que elevaría estas frecuencias. Gráfica 1.17 Corriente de Quita Armónica Ah5

17 16 Tabla TR1 Resumen Aplicación de Filtro Activo en 480V 100Amps Arreglo Forma de Onda Voltaje Forma de Onda Corriente %THDi Máximo 2da Armónica ( 120 hz ) 5ta Armónica Transitorios SIN AHF Distorsionada con Notches pronunciados Distorsionada con transitorios de corriene continuos 60% 17% 42 Amps Infinito CON AHF Senoidal sin Notches Senoidal sin transitorios detectados 15% 14.5% No entra en resonancia con el AHF 5 Amps Cero Transitorios gracias a la ayuda de los supresores de picos SPD