8. Calidad de la potencia

Transcripción

1 8. Calidad de la potencia Anibal T. De Almeida Día 2

2 Temario Niveles de tensión Desequilibrio de la tensión Factor de potencia Armónicos

3 Calidad de la potencia 1. Mantenimiento de los niveles de tensión Cuando se trabaja a menos del 95% de la tensión de diseño, es normal que los motores pierdan entre 2 y 4 puntos de eficiencia. Hacer funcionar un motor por debajo de su tensión de diseño también reduce su factor de potencia y su eficiencia. Efecto de la variación de tensión en el rendimiento de los motores

4 Calidad de la potencia REDUCCIÓN DE LA AMPLITUD LA TENSIÓN EFECTOS: REDUCCIÓN DE LA EFICIENCIA, CAMBIOS EN PAR-VELOCIDAD, REDUCCIÓN DE LA VIDA ÚTIL DEL MOTOR SI ESTÁ FUNCIONANDO A PLENA CARGA. TRANSITORIOS DE TENSIÓN EFECTOS: REDUCCIÓN DE LA VIDA ÚTIL DEBIDO A LAS SOBRETENSIONES Y A LAS DESCARGAS PARCIALES.

5 Calidad de la potencia 2. Mantenimiento de un factor de potencia alto Un factor de potencia bajo reduce la eficiencia del sistema de distribución eléctrica tanto dentro como fuera de la instalación. Un factor de potencia bajo surge cuando se operan los motores de inducción a una carga inferior a la plena carga. Típica curva del factor de potencia en función de la carga Fuente: IEC

6 Calidad de la potencia Sistema equilibrado

7 Desequilibrio de la tensión Definición: El desequilibrio de la tensión está dado por: % = á. 100

8 Ejemplo L1 = 600 V L2 = 585 V L3 = 609 V = = 598 V 3 á. = = 13 = =,

9 Calidad de la potencia 3. Minimizar el desequilibrio de fase DISMINUCIÓN (%) Un sistema desequilibrado aumenta las pérdidas del sistema de distribución y reduce la eficiencia de los motores. DESEQUILIBRIO DE LA TENSIÓN(%)

10 Ejercicio Supongamos que tenemos un motor de 100 kw que funciona al 75% de la carga, 8000 horas al año y a un desequilibrio de tensión del 2,5 % Calcular los ahorros si se adoptaran medidas correctoras

11 Ejercicio Ahorros = 100 x 0,75 x 8000 x (1/0,939-1/0,952 ) = = 9000 kwh

12 Calidad de la potencia Mantenimiento de una buena calidad de la potencia El uso de potencia con formas de onda distorsionadas degrada la eficiencia del motor. POTENCIA DISPONIBLE (%) 4. FACTOR DE TENSIÓN ARMÓNICA (%)

13 Calidad de la potencia La distorsión de la tensión puede cuantificarse mediante la distorsión armónica total, THD: n THD 2 V k k 2 VRMS CAUSAS: variadores de velocidad, rectificadores, controladores, cargas de impedancia variable, carga de núcleo saturado (transformadores).

14 Efectos de los altos niveles de armónicos Factor de potencia pobre, es decir, corriente alta para una potencia determinada. Interferencia con el equipo que es sensible a las ondas de tensión. Calentamiento excesivo de los conductores neutros (solamente de las cargas monofásicas). Calentamiento excesivo de los motores de inducción. Mucho ruido acústico de transformadores, barras colectoras, equipos de conmutación y demás. Calentamiento excesivo de los transformadores y del equipo asociado. Daños en los condensadores para corrección del factor de potencia.

15 Tipos de armónicos Secuencia negativa - 5º, 11º, 17º... Secuencia positiva - 7º, 13º, 19º... En sistemas desequilibrados con conductor neutro Triple (homopolar)-3º, 6º, 9º...

16 Corriente como Armónicos vs. carga Potencia de carga Variación de los armónicos de la corriente de entrada y de la THD expresada como porcentaje de la corriente fundamental con variación de la potencia de carga para un controlador de CA.

17 Generación de armónicos en un VSD Onda típica de la corriente de entrada para un accionador monofásico de 1,5 kw (con tensión de alimentación) y espectro armónico correspondiente

18 Generación de armónicos en un VSD Onda típica de la corriente de entrada para un accionador trifásico de 1,5 kw (con tensión de alimentación) y espectro armónico correspondiente

19 Técnicas de remediación Conecte el equipo a un punto con un alto nivel de fallas (baja impedancia) Cuando se planea una instalación, en general es posible elegir el punto de conexión. La tensión armónica causada por una corriente armónica determinada es proporcional a la impedancia de la fuente del sistema (inversamente proporcional al nivel de fallas). Por ejemplo, las cargas distorsionantes pueden conectarse a las barras colectoras principales en lugar de a los subsiguientes cables largos compartidos con otros equipos.

20 Técnicas de remediación Use controladores trifásicos, en la medida de lo posible La corriente armónica de un controlador trifásico de una clasificación de potencia determinada es aproximadamente un 30% de la de un variador monofásico, y no hay corriente neutra. Si los armónicos existentes son generados principalmente por cargas monofásicas, los variadores trifásicos también reducirán los 5º y 7º armónicos dominantes.

21 Técnicas de remediación Use inductancia adicional La inductancia en serie en el variador produce una reducción conveniente de la corriente armónica. El beneficio es mayor en los controladores pequeños, en los que no hay inductancia de CC internamente, pero también se puede obtener una reducción conveniente en los controladores de mayor tamaño.

22 Técnicas de remediación Use inductancia adicional Onda típica de la corriente de entrada para un controlador trifásico de 1,5 kw (con tensión de alimentación) y espectro armónico correspondiente, con inductor de entrada de 2%

23 Técnicas de remediación Use un valor menor de capacitancia de alisamiento de la corriente continua Para un rectificador trifásico, el valor de la capacitancia se puede reducir mucho, siempre que se adapte el inversor para compensar el rizado de la tensión resultante. La onda de la corriente de entrada mejora en consecuencia y tiende hacia el caso "ideal" con la mayor inductancia de CC, cuando la corriente es aproximadamente constante durante el periodo de conducción de 120º.

24 Técnicas de remediación Use un número de pulsos mayor (12 impulsos o más) Los controladores trifásicos estándar de hasta 200 kw usan rectificadores de 6 pulsos. Los rectificadores de 12 pulsos eliminan los 5º y 7º armónicos esenciales (excepto por un pequeño residuo causado por el equilibrio imperfecto de los grupos de rectificadores). De ser necesario se necesitará un número de pulsos mayor - el armónico menor para un número de pulsos p es (p-1).

25 Técnicas de remediación Use un número de pulsos mayor (12 pulsos o más) Onda típica de la corriente de entrada para un controlador trifásico de 150 kw con un rectificadores de 12 pulsos y espectro armónico correspondiente

26 Técnicas de remediación Use un controlador con un convertidor de entrada activo Un convertidor de entrada activo con modulación por ancho de pulso genera corrientes armónicas despreciables y permite asimismo el retorno del suministro eléctrico de la carga a la fuente de alimentación.

27 Técnicas de remediación Use un filtro de armónicos Los filtros de armónicos se construyen usando una matriz de condensadores, inductores y resistores, que desvía las corrientes armónicas a tierra. Cada filtro de armónico puede contener muchos de esos elementos, cada uno de los cuales se utilizan para desviar los armónicos de una frecuencia específica.

28 Niveles de corriente armónica para las disposiciones de controladores de CA

29 Calidad de la potencia Selección de transformadores eficientes Instalación de transformadores reductores eficientes y del tamaño adecuado. A menudo, los transformadores antiguos, subcargados o sobrecargados son ineficientes. Identificar y eliminar las pérdidas del sistema de distribución Compruebe regularmente que no haya conexiones malas, ni tomas a tierra deficientes, ni cortocircuitos a tierra. Este tipo de problemas suelen originar pérdidas de energía y peligros y reducen la fiabilidad del sistema. Minimizar la resistencia del sistema de distribución En las construcciones nuevas o cuando se renueve el cableado, hay que dimensionar adecuadamente los cables eléctricos que alimentan a los motores y están activos a casi plena carga durante muchas horas. Esta práctica minimiza las pérdidas de las líneas y las caídas de tensión.

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32 Costos de la calidad de la potencia Costos directos Daños en el equipo Pérdidas en la producción y en la materias primas Costos salariales durante los periodos no productivos Costos de nueva puesta en funcionamiento Costos indirectos Incapacidad para cumplir con los plazos Pérdida de encargos futuros Problemas no materiales Inconvenientes que no pueden expresarse en dinero, como no poder escuchar la radio o mirar televisión

33 Costos de la calidad de la potencia Business Week (1991) 26 mil millones de USD al año en los Estados Unidos EPRI (1994) 400 mil millones de USD al año en los Estados Unidos Departamento de Energía de los Estados Unidos (1995) 150 mil millones de USD al año para Estados Unidos. Fortune Magazine (1998) alrededor de 10 mil millones de USD al año en los Estados Unidos E Source (2001) - Entre y USD anuales por instalación para industrias de procesos continuos, servicios financieros y procesamiento de alimentos en los Estados Unidos. European Copper Institute (2001) 10 mil millones de EUR al año en la UE, en la industria y el comercio.

34 Costos de la calidad de la potencia Mínimo Máximo Industrial Fabricación de automóviles 5 7,5 Goma y plásticos 3 4,5 Textiles 2 4 1,5 2,5 Impresión (prensa) 1 2 Petroquímica 3 5 Fabricación de metales 2 4 Vidrio 4 6 Minería 2 4 Procesamiento de alimentos 3 5 Farmacéutica 5 50 Electrónica Hospitales, bancos, servicios públicos 0,5 1 Restaurantes, bares, hoteles 0,1 0, Papel Fabricación de semiconductores Costo de la interrupción momentánea (1 minuto) En $ /kw demanda Servicios Comunicación, procesamiento de la información Tiendas comerciales Fuente: Electrotek Concepts

35 Costos de la calidad de la potencia Costos de las interrupciones con respecto a la duración

36 Las disminuciones de la tensión por debajo del 10-30% de la tensión nominal de entre 3 y 30 ciclos de duración son responsables de la mayor parte de las perturbaciones de los sistemas de energía y, en consecuencia, son la prinicipal causa de los transtornos en los procesos industriales.

37 Uso de los VSD durante los fallos momentáneos de la red (Ride-through) Los problemas de los VSD durante los fallos momentáneos de la red han multiplicado las inquietudes, debido a que los VSD son muy susceptibles a las perturbaciones del suministro y a los costosos trastornos en los procesos.

38 Modificaciones a las topologías actuales de los VSD Condensadores adicionales Uso de la inercia de la carga Hacer funcionar los VSD a menor velocidad o carga Usar motores de menor tensión Convertidor de refuerzo de operación durante fallos momentáneos de la red (Ride-through) Rectificador activo en el extremo delantero del VSD

39 Condensadores adicionales Cuando se añaden condensadores al bus de continua, es posible suministrar al motor la energía adicional necesaria para mantener la electricidad a pleno durante la disminución de la tensión de un fallo momentáneo de la red. Ventajas: Enfoque simple y resistente, puede asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red en caso de perturbaciones menores. Desventajas: Costo elevado. Espacio para un gran armario, circuitos de precarga y consideraciones de seguridad adicionales.

40 Uso de la inercia de la carga Es posible modificar el software de control del inversor de manera que cuando una perturbación del suministro provoque que la tensión del bus de continua caiga por debajo de un valor determinado, el inversor haga los ajustes para operar a una frecuencia levemente menor a la frecuencia del motor, haciendo que el motor actúe como un generador. Es más efectivo en las cargas de alta inercia que pueden desacelerarse durante una perturbación del suministro momentánea. Este enfoque puede permitir que se siga operando durante fallos momentáneos de la red a una potencia reducida (velocidad y par) durante hasta 2 segundos para cargas de entre 5 kw y 1 MW.

41 Uso de la inercia la carga Ventajas: No se requiere hardware adicional, sólo una modificación del software del inversor. Se pueden conseguir controladores con estas características que aseguren la operación durante fallos momentáneos de la red durante 2 segundos en casos de disminuciones de la tensión nominal de hasta el 80%. Dado que el controlador y el motor no dejan de transferir energía activamente durante la perturbación del suministro, no hay pérdida de fase entre el controlador y el motor, y el campo magnético del motor no se desenergiza. Por lo tanto, no hay retrasos por tener que empezar a acelerar el motor cuando el suministro de CA de la red retorna a la normalidad, siempre y cuando la carga pueda sobrellevar la situación. Desventajas: Es posible que haya una reducción de la velocidad y del par, lo que podría ser inaceptable. La operación durante los fallos momentáneos de la red de manera sostenible dependerá de la inercia de la carga.

42 Hacer funcionar los VSD a menor velocidad o carga Dado que para cargas de par variable, como ventiladores y bombas, la corriente del bus de continua varía con la frecuencia del variador, una reducción de la velocidad del motor provocará una reducción de la corriente de las barras colectoras de CC. En consecuencia, un sistema de ventilación y de bombeo que funciona a 40 Hz consume menos corriente que un sistema que funciona a 60 Hz y, por lo tanto, será capaz de funcionar por más tiempo durante una situación de disminución de la tensión. Aplicaciones adecuadas - accionadores pequeños, 5-10 kva, con par variable (ventiladores y bombas), alta inercia y cargas de fricción baja. Puede asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red a potencia reducida por hasta 0,01 segundo.

43 Hacer funcionar los VSD a menor velocidad o carga Ventajas: No se requiere hardware adicional. A una velocidad y carga del 50%, se podría asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red cuatro veces más que un sistema con accionador normal. Desventajas: Es posible que la aplicación no tolere un funcionamiento a velocidad o carga reducida. Solo sirve para cargas de par variable (ventiladores y bombas).

44 Uso de motores de menor tensión Si se usa un motor de 230 V CA con un controlador de 460V CA, la tensión del bus de continua (nominal 620V) podría caer hasta un 45% (hasta 280 V) y aún así suministrar al motor 230 V de CA. Entonces, a medida que la tensión baja, el inversor cambia su ciclo de servicio para seguir dando al motor 230 V constantes. Aplicaciones adecuadas - Sistemas de motor pequeño y controlador, de 5 kva a10 kva, en los que el costo de un controlador de tamaño doble no alcanza el costo de dos controladores más pequeños. Puede asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red a plena potencia durante hasta 0,01 segundo.

45 Uso de motores de menor tensión Ventajas: No se requiere hardware adicional. Operación durante fallos momentáneos de la red durante aproximadamente 2,8 veces más que un sistema de variador normal. Desventajas: La potencia nominal del VSD es el doble de la potencia nominal del motor de 230 V. Un motor de 230 V con la misma potencia nominal que un motor de 460 V necesitará el doble de corriente a plena carga, y por lo tanto, deberá ser más grande. El aislamiento del motor debe ser capaz de soportar las tensiones mayores que suministra un VSD de 460 V.

46 Convertidor de refuerzo durante fallos momentáneos de la red (Ride-through) En caso de una disminución de la tensión, el convertidor de refuerzo siente la caída de la tensión en el bus de continua y empieza a regular el bus de continua a la mínima tensión requerida por el inversor. Aplicaciones adecuadas - Aplicaciones nuevas o readaptadas y en las que los controladores se conectan al bus de continua común. Para cargas entre kw puede asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red durante 5 segundos a potencia reducida.

47 Convertidor de refuerzo durante fallos momentáneos de la red (Ride-through) Operación durante fallos momentáneos de la red mediante un convertidor de refuerzo

48 Convertidor de refuerzo durante fallos momentáneos de la red Ventajas: Puede asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red para disminuciones de hasta el 50 %. La tensión del bus de continua puede regularse según las necesidades del inversor y el usuario puede ajustarla. Desventajas: El inductor de vínculo de CC y el diodo adicional están en el trayecto en serie del flujo de alimentación. Requiere hardware adicional, que tendrá que tener la potencia nominal adecuada debido a la corriente adicional que se consume durante la disminución de la tensión. En el caso de una interrupción del suministro, el convertidor de refuerzo no será capaz de asegurar la operación durante el fallo momentáneo de la red, y el controlador experimentará una parada de emergencia.

49 Rectificador activo en el extremo delantero del VSD PWM Rectifier PWM Inverter d VSA LS ia ib ic ia VA VB Cd Vd VC Va Vb ib Vc ic Vm1 Long Cable Vm2 Vm3 n f Aplicaciones adecuadas Nuevas aplicaciones de un VSD, en las que el frenado regenerativo sería conveniente para mejorar la eficiencia general. La mayoría de los fabricantes de variadores ofrecen VSD con rectificadores activos de hasta 500 kw, pero que cuestan el doble que los diodos rectificadores convencionales. Motor M

50 Rectificador activo en el extremo delantero del VSD Ventajas: Potencia de entrada libre con un factor de potencia uno. Los rectificadores activos suministran una tensión del bus de continua regulada, y por ello se autocorrigen en caso de disminución de la corriente. Es necesario derratear el rectificador correctamente para asegurar la operación durante un fallo momentáneos de la red a plena potencia. El frenado regenerativo es posible porque la potencia fluye en ambas direcciones. Esta característica podría ayudar a mejorar la eficiencia de algunas aplicaciones. Desventajas: Un VSD con un rectificador modulado por ancho de pulso activo es casi equivalente a dos VSD de diodos rectificadores. Este enfoque tiene un costo adicional. El paquete de VSD es de mayor tamaño, dado que además del rectificador activo se necesitan tres inductores de filtro de entrada. El rectificador modulado por ancho de pulso activo opera el VSD con una mayor tensión del vínculo de CC. Esto provoca un modo diferencial dv/dt mayor en las terminales del motor. Además, debido a las dos etapas del inversor IGBT modulado por ancho de pulso, el modo común dv/dt y la interferencia electromagnética son mayores.

51 Soluciones de almacenamiento energético Batería de reserva Volante de inercia Supercondensadores Superconductores magnéticos de almacenamiento de energía (SMES)

52 Batería de reserva El sistema de batería de reserva funciona de manera similar, aumentando la capacidad de almacenamiento energético. Las baterías electroquímicas predominan debido a su precio menor y madurez tecnológica. Aplicaciones adecuadas - Aplicaciones nuevas o readaptadas, y aquellas en las que los controladores se conectan al bus de continua común. Para las cargas de 50 kw-10 MW, pueden asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red hasta una hora.

53 Batería de reserva Ventajas: Puede asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red en caso de disminuciones prolongadas e interrupción total del servicio. Las baterías son fáciles de conseguir. El tiempo de transferencia es casi instantáneo. Desventajas: Se necesita hardware y espacio adicionales, aunque no mucho más que para los condensadores convencionales. Ciclo de vida relativamente corto. Para garantizar el rendimiento máximo se necesita más mantenimiento. La electrólisis es corrosiva y puede ser peligrosa para la aplicación. Cuando se agotan hay que desecharlas correctamente.

54 Volante de inercia Un volante de inercia es un dispositivo electromecánico que acopla una máquina eléctrica giratoria (motor/generador) con una masa giratoria para almacenar energía durante corto tiempo. El motor/generador consume electricidad suministrada por la red eléctrica para mantener el rotor del volante de inercia girando. Durante una perturbación del suministro, el generador transforma la energía cinética almacenada en el rotor en energía eléctrica CC, suministrado electricidad directamente al bus de continua del controlador de CA.

55 Volante de inercia Motor-generador con un volante de inercia

56 Volante de inercia Ventajas: Puede asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red en caso de disminuciones prolongadas e interrupción total del servicio. Desventajas: Se necesita hardware y espacio adicionales. Los componentes giratorios requieren mantenimiento.

57 Supercondensadores Los supercondensadores ofrecen aumentos importantes de la densidad de energía con respecto a los condensadores convencionales, debido a la elección y preparación de los materiales de los electrodos; y aumentos en el área efectiva de las placas del condensador. Se puede diseñar un VSD con supercondensadores integrados o agregarlos como módulos. El banco de supercondensadores agregado tendría aproximadamente el mismo tamaño que el variador.

58 Supercondensadores Ventajas: Puede asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red en caso de disminuciones prolongadas e interrupción total del servicio. Ciclo de vida largo y tasa de recarga rápida. Fácil seguimiento del estado de carga. Requerimientos de mantenimiento mínimos. Desventajas: Se necesita hardware y espacio adicionales, aunque no mucho más que para los condensadores convencionales.

59 Superconductores magnéticos de almacenamiento de energía (SMES)

60 Superconductores magnéticos de almacenamiento de energía (SMES) En un sistema de SMES, una gran cantidad de corriente se mantiene circulando en una bobina o imán superconductor, a fin de ser suministrada al sistema cuando sea necesario. Dado que sólo hay pérdidas insignificantes en la bobina superconductora, la transferencia de energía en y fuera de la unidad de almacenamiento es muy eficiente y rápida. Sin embargo, para que siga habiendo superconductividad, hay que enfriar la bobina a temperaturas criogénicas. Se pueden conseguir SMES de baja temperatura enfriados con helio líquido.

61 Superconductores magnéticos de almacenamiento de energía (SMES) Ventajas: Confiables, poco mantenimiento. Los SMES pueden soportar descargas y cargas rápidas repetidas sin que se afecte su desempeño ni su vida útil. Desventajas: Se necesita hardware y espacio adicionales. Se necesita un sistema de refrigeración sofisticado para mantener las temperaturas criogénicas y la pérdida de potencia asociada con las mismas. Costo elevado.

62 Los supercondensadores son el enfoque más adecuado para procesos críticos de baja tensión (230/460 V) que necesitan que se les asegure la operación durante fallos momentáneos de la red a toda potencia hasta 5 segundos. Los motores-generadores con tecnología Written-Pole y volante de inercia resultan más convenientes si se necesita asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red durante más tiempo y para requerimientos de potencia mayores (hasta 10 MW). En caso de potencia > 10 MW, se pueden usar sistemas SMES o pilas de combustible, según los requerimientos de duración de la operación durante fallos momentáneos. Las soluciones de almacenamiento energético más adecuadas para asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red (para aplicaciones de 1 kw a 1 MW que necesiten asegurar la operación durante fallos momentáneos de la red hasta 5 segundos) son los supercondensadores, los volante de inercia y los sistemas SMES, según la calificación de la carga.

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64 Gracias