Ahorro de energía y mejora de la calidad de energía corrigiendo el factor de potencia total. Carlos Felipe Salcedo R Energy Efficiency

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1 Ahorro de energía y mejora de la calidad de energía corrigiendo el factor de potencia total Carlos Felipe Salcedo R Energy Efficiency

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7 Conceptos básicos Subtensión momentánea Armónicos IEEE 519 Casos de aplicación 2

8 Conceptos Básicos Problemas de Calidad de Potencia : Fluctuaciones de Voltaje Interrupción permanente Variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje Armónicos Transientes 5

9 Conceptos Básicos Fluctuaciones de Voltaje: Una serie de cambios de voltaje aleatorios - 10% a +10%, provocados por rápidas variaciones en la magnitud de la corriente de carga (Flicker) Interrupcion Permanente: Cuando el voltaje de suministro ha estado en cero por un periodo de tiempo superior a 1 minuto 6

10 Fluctuaciones de Tensión 7

11 Conceptos Básicos Variaciones momentáneas de bajo y alto voltaje (SAGS and SWELLS). Causadas por condiciones de falla, energización de motores o grandes cargas, que requieren altas corrientes de carga. Dependiendo de la localización de la falla y de las condiciones del sistema, la falla puede causar : SAG = Caída de voltaje temporal (-90%; 8.3 ms a 1min) SWELL = Aumento de voltaje (+110%; 8.3 ms a 1 min) INTERRUPCION = Completa pérdida de voltaje. 8

12 Causes of Voltage Swells What was THAT??? 9

13 Causes of Voltage Sags Storm 10

14 Conceptos básicos Subtensión momentánea Armónicos IEEE 519 Casos de aplicación 11

15 Conceptos Básicos Los SAG de Tensión y las INTERRUPCIONES: Son perturbaciones de CALIDAD DE POTENCIA costosas y difíciles de distinguir SAG: Breve disminución de la tensión efectiva Los SAGS normalmente afectan sólo a una o a dos fases del circuito Las INTERRUPCIONES afectan las tres Fases simultáneamente Precaución : Alimentar control del equipo de medida desde una UPS. 12

16 Causas de los SAG de Tensión Fallas en el sistema de distribución Alumbrado Contacto de Animales Vegetación Falla en equipos Interna Arranque de motores Cargas cíclicas 13

17 200 Voltage Sag Due to Utility Fault ( )(12:49:38) 150 SAG Voltage (V) Time (ms) INTERRUPCIÓN 14

18 Conceptos Básicos Transientes: Estos se presentan en forma de impulsos de voltaje de muy corta duración, superpuestos en la señal de alimentación y frecuentemente intermitentes con una duración menor a dos mseg, principalmente son provocados por : Descargas atmosféricas Maniobras de interruptores Operación Bancos de Condensadores Operación ascensores. Aires acondicionados Refrigeradores Su nivel puede ser mayor a cinco veces el voltaje nominal, provocando: Esfuerzos excesivos al aislamiento de diversos equipos. Daños a componentes electrónicos sensibles. 15

19 Conceptos Básicos : TRANSIENTES Por que son importantes estos datos? Los transientes tienen un efecto acumulativo sobre el equipo electrónico más sensible disminuyendo rápidamente su vida util. Los transientes se catalogan por su Magnitud y Duración 16

20 17

21 Conceptos básicos Subtensión momentánea Armónicos IEEE 519 Casos de aplicación 18

22 Conceptos Básicos ARMONICOS : Provocados por Cargas no lineales. Son señales de corrientes y/o voltajes que existen en un sistema eléctrico, que tienen unas frecuencias que son múltiplos de la frecuencia fundamental. Su efecto es la deformación de la onda senosoidal. Corriente Senosoidal Corriente Distorsionada 19

23 Origen de los armónicos Las ondas de tensión e intensidad a 60 Hz están formadas por: Una senoidal pura a frecuencia de red (60 Hz). Diferentes senoides de frecuencia n veces la frecuencia de red (60 Hz) : los armónicos. Los armónicos existen como consecuencia de la existencia de cargas no lineales. Las cargas son una impedancia que varía. y h 1 h 3 ( t) ( t) ( t) = y (t) h1 (t) h3 (t) 20

24 Cargas lineales y no lineales Carga Lineal: Aquella que absorbe una intensidad de idéntica forma que la U senoidal de red Ej : resistencias, cargas inductivas en régimen permanente (motores, transformadores...). Carga no lineal o deformante : Aquella que devuelve la onda de intensidad distorsionada. Ej: Arrancadores, variadores de velocidad, UPS... I U U I 21

25 Rango y espectro de armónicos Rango : El rango es el valor entero que determina la frecuencia del armónico. Ejemplo : armónico de rango 5, frecuencia= 5*60 =300 Hz ( F fundamental 60 Hz) Espectro armónico en % de la fundamental Espectro: El espectro de una señal es el gráfico que representa las amplitudes de los armónicos en función de su frecuencia. 0 22

26 Conceptos Básicos: THD FACTOR THD La desviación que se tenga de la forma de onda con respecto a una del tipo perfectamente senosoidal se suele expresar en términos de porcentajes de distorsión armónica tanto para el voltaje como para la corriente. 100 %-Fund Harm onic THD = 98% 23

27 Conceptos Básicos: THD El THD Provoca: Saturación de transformadores - calentamiento Generación de interferencias telefónicas Fallas en capacitores de potencia Disparos intempestivos de relés Mala operación de máquinas-herramientas con controles electrónicos. Calentamiento conductores y pérdida de aislamiento. Mal funcionamiento de medidores del tipo inductivo 24

28 Fuentes Variadores de frecuencia Convertidores DC Cargadores de baterías Rectificadores Saturación de transformadores Hornos y soldadores de arco Alumbrado fluorescente no compensado y con alto THD. UPS s Todo equipo electrónico 25

29 Conceptos Básicos Factor de Potencia : representa el grado de desfase entre la tensión y la intensidad aplicadas a una carga - Factor de potencia Total ( PF ) - Desplazamiento del Factor de Potencia ( dfp ) Potencia Armónica : Un valor negativo indica flujo de armónicos desde la carga ( Variadores ), un valor positivo indica un flujo hacia la carga ( Condensadores ) 26

30 Conceptos Básicos Factor K : define la capacidad de un transformador para alimentar cargas no lineales sin exceder sus limites de temperatura K = sum ( Ih ) h IRMS

31 Conceptos Básicos Factor Armónico ( HF ): Factor de Potencia Total ( FP ) dividido entre el Desplazamiento del Factor de Potencia (dfp). Si no hay presencia de armónicos, este valor será 1. Si la tensión y la intensidad se hacen más distorsionadas, el factor armónico disminuirá. 28

32 Origen de los armónicos : Equipos de Oficina Características Fuente de alimentación conmutada TDD = 70% to 90% dpf = 1 Problemas Sobrecarga del neutro Calentamiento del transformador %-Fund Harm onic 29

33 Origen de los armónicos : Variadores de Velocidad DC Características Etapa de rectificación THD <=30% Pobre dfp a baja velocidad Distorsión del Voltaje, especialmente caídas de voltaje Sobrecarga del Transformador 30

34 Origen de los armónicos : Variadores de Velocidad AC PWM PWM s operan con rectificadores no controlados. TDD puede ser mayor al 100% Pobre FP y dpf = 1 Problemas de Calidad de Potencia Suceptible a los Transientes provocados por el suicheo de capacitores 31

35 Ventajas: Eliminación del 5th y 7th Armónicos El 11th y 13th son los predominantes Desventajas: Costos y construcción del trafo 32

36 Desequilibrio de tensión Los Circuit Monitor calculan el desequilibrio de cada fase usando la siguiente formula: El desequilibrio de tensión produce calentamiento en los motores. Vuvm = V - VMEDIO VMEDIO Cuando las tensiones están desequilibradas, una elevada intensidad negativa fluye en los devanados del estator del motor. El flujo resultante gira en sentido contrario al rotor, induciendo una tensión que produce una intensidad de 120Hz. 33

37 RESONANCIA SERIE R L SOBREVOLTAJES V I >>> C RESONANCIA PARALELO V >>> CORRIENTES GRANDES I L C 34

38 35

39 36

40 Conceptos básicos Subtensión momentánea Armónicos IEEE 519 Casos de aplicación 37

41 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems. Esta Recomendación o guía, surgió como una necesidad de unificar una serie de criterios para el manejo de las cargas de tipo no lineal y los problemas que éstas ocasionaban a los equipos de la misma planta y en otras que estén conectadas a la misma barra. La IEEE 519 es una guía con una serie de recomendaciones prácticas para el diseñador y el analista en el control de armónicos. 38

42 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems. Este estándar aplica en dos direcciones : Desde el punto de vista de la empresa de servicios de electricidad y desde el punto de vista del usuario individual. En este sentido el propósito de la norma es limitar los niveles de armónicos de acuerdo a dos criterios básicos : Establecer una limitación en la cantidad de armónicos de corriente que el usuario individual puede inyectar a la red en el punto de acople común con la red de servicio público. Establecer una limitación en el nivel de contenido de armónico del voltaje suministrado por la empresa prestadora del servicio de electricidad en el punto de acople común. 39

43 Limites de distorsión de corriente en sistemas de distribución (Desde 120 V Hasta V) MAXIMA DISTORSION ARMONICA de CORRIENTE en % de I de carga ARMONICOS IMPARES Isc / IL <11 11 <= h < 17 17<=h < <= h < <= h TDDI < 20* < < < > ARMONICOS PARES SON LIMITADOS AL 25 % DE LOS LIMITES PERMITIDOS PARA LOS IMPARES * TODOS LOS EQUIPOS DE GENERACION ESTAN LIMITADOS A ESTOS VALORES DE DISTORSION INDEPENDIENTEMENTE DEL FACTOR Isc / IL. Isc : Máxima Icc en el PCC IL : Máxima corriente de carga ( Componente Fundamental ) en el punto PCC 40

44 Cálculo e Interpretación del TDDI TDDI = I60 Hz * THDI Imáx TDDI en % Porcentaje de tiempo 41

45 Resumen 42

46 Mejorar Factor de Potencia Cual es el problema en la Red Eléctrica? Eliminar armónicas Hay cargas que generan armónicos? Si No No Los Kvar necesarios son > 15 % de los kva del Trafo? No Las cargas que generan armónicos son > 15 % de la carga total? Si Si Las cargas que generan armónicos son > 50 % de la carga total? Si Bancos fijos Bancos Automáticos Bancos Automáticos Antirrresonantes Bancos Automáticos diseñados para filtrar armónicas. 45 No

47 46

48 Que necesito para diseñar el filtro? Diagrama unifilar del circuito mostrando la naturaleza de las cargas (Ejm. 150 Hp FVNR, 200 Hp VFD, etc.) Capacidad del Transformador en kva, %Z, Grupo de conexión Corriente de Cortocircuito en el punto de conexión Tensión primaria, Tensión secundaria Localización del equipo de medida Tamaño y ubicación de bancos de condensadores Ubicación y características de las cargas lineales y no lineales. Determinar factor Icc / Icarga Determinar el THD de Voltaje ( EE) y de Corriente (Usuario) Información de Armónicos pares e impares 52

49 Conceptos básicos Subtensión momentánea Armónicos IEEE 519 Casos de aplicación 53

50 Resultados típicos en sistemas industriales THD Tensión < 5% Equipos tradicionales tienden a operar sin mayores problemas. Calentamiento adicional en Motores y Transformadores. Equipamiento electrónico muy sensible puede verse afectado. 54

51 Resultados típicos en sistemas industriales THD Tensión % Apreciable aumento de temperatura en maquinaria rotante y transformadores. Problemas con equipos electrónicos sensibles, comunicaciones, interferencias. Sensibilidad reducida en protecciones. Mayor potencial de resonancia en el sistema. 55

52 Resultados típicos en sistemas industriales THD Tensión > 10% Excesivo calentamiento en transformadores y máquinas rotantes, se dañarán si el problema persiste. Falla de equipos electrónicos sensibles. Protecciones que actúan prematuramente ó no actúan. Alto potencial de parada. 56

53 La misma carga No lineal produce distintos niveles de THD, dependiendo de la impedancia de la fuente Transformador pequeño: representa alta Z Transformador grande: representa baja Z Transformador 10kVA Z=4% Transformador 100kVA Z=4% 10% THD Tensión EXCESIVO 2% THD Tensión ACEPTABLE 10A 40% THD Cargas alineales idénticas 10A 40% THD 57

54 Fuentes Variadores de frecuencia Convertidores DC Cargadores de baterías Rectificadores Saturación de transformadores Hornos y soldadores de arco Alumbrado fluorescente no compensado y con alto THD UPS s Todo equipo electrónico 58

55 Efecto de los armónicos de Secuencia Positiva o Negativa G 300 Hz - G 420 Hz + G Xc = 1 2 n f C 60 Hz Hz Hz + Carga No Lineal UPS 100 Kva fp= Hz El Generador tiene que alimentar : 100 KVA 60 Hz + Potencia Armónica El Quinto armónico afecta principal- mente a los condensadores El Quinto y el Séptimo armónico afectan a las máquinas giratorias 59

56 Efecto de los armónicos de secuencia Cero R CARGA NO CARGA LINEAL LINEAL In = 0 In <> 0 S T Si el circuito es balanceado, y la carga es lineal In = 0 Con cargas No Lineales In < = 2 * Icarga 60

57 Que acciones debemos tomar? Instalar Neutro Doble : El Neutro no se quema por secuencia Cero Instalar Transformador Delta Estrella Utilizar Transformador Tipo K Utilizar UPS con tecnología IGBT 61

58 n +1, n-1 Circuito Monofásico :2 Pulsos Circuito Trifásico :6 Pulsos Armónicos 1, 3 THD 130 % Armónicos 5, 7 THD 30 % Circuito Trifásico : 12 Pulsos Armónicos 11, 13 THD 15 % Circuito con IGBT 6 y 20 khz THD 3 % 62

59 Make the most of your energy 70

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