Congreso Internacional de Energías Renovables y Mantenimiento Industrial 2015 BIENVENIDOS!!

Transcripción

1 Congreso Internacional de Energías Renovables y Mantenimiento Industrial 2015 BIENVENIDOS!! Bahía de Banderas, Nayarit, 4 de junio del 2015.

2 CALIDAD DE LA ENERGÍA EN SISTEMAS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES DESBALANCEADOS: FACTOR DE POTENCIA Y FILTRADO DE ARMÓNICAS Dr. Ángel Marroquín de Jesús amarroquind@utsjr.edu.mx Bahía de Banderas, Nayarit, 4 de junio del 2015.

3 1. Introducción 2. Definiciones y estándares 3. Generación de armónicas 4. Efectos de las armónicas 5. Respuesta del sistema 6. Eliminación de armónicas 7. Mediciones en sistemas eléctricos industriales 8. Reporte monitoreo de parámetros Contenido

4 Calidad de la energía eléctrica Se entiende cuando la energía eléctrica es suministrada a los equipos y dispositivos con las características y condiciones adecuadas que les permita mantener su continuidad sin que se afecte su desempeño ni provoque fallas a sus componentes

5 Calidad de la energía eléctrica Un problema de calidad es cualquier evento o suceso posible, que se manifiesta como una afectación del voltaje, la corriente o la frecuencia que resulte en la falla o en la operación incorrecta del equipo del usuario.

6 Calidad de la energía eléctrica Son las características físicas de la energía suministrada en condiciones normales de operación, que no producen interrupciones, ni operaciones erráticas en equipos y procesos de la carga del usuario o en la red eléctrica.

7 Calidad de la energía eléctrica La mala calidad de la energía eléctrica es cuando se tiene la presencia de las siguientes perturbaciones.

8 Calidad de la energía eléctrica Frecuencia de 60 Hz Sin variaciones, de una sola magnitud Sin distorsión armónica Continuidad Sin perturbaciones

9 CALIDAD DE LA ENERGÍA TRES PERSPECTIVAS TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN GENERACIÓN INDUSTRIA PESADA INDUSTRIA SENSIBLE

10 No puede tener el control de que una descarga atmosférica no caiga sobre ni en cercanías de una línea de transmisión, o no puede evitar que algún desperfecto en alguno de sus equipos genere una interrupción de energía.

11 Pico de voltaje Es un incremento en el nivel de voltaje que dura microsegundos. Es ocasionado principalmente por fallas en la red eléctrica, descargas atmosféricas y switcheo de grandes cargas.

12 Depresión de voltaje (sags) Es un decremento momentáneo (varios ciclos de duración) en el nivel de voltaje. Es debido a la conexión de grandes cargas, descargas atmosféricas y fallas en la red eléctrica.

13 Dilatación de voltaje (swell) Es un incremento del voltaje de varios ciclos de duración. Es ocasionado por la desconexión de cargas grandes y no llega a ser un sobrevoltaje.

14 Sobrevoltaje Es una condición de voltaje elevado (arriba del valor nominal) que a diferencia del swell de voltaje, dura mucho más tiempo. Es causado por una pobre regulación de voltaje.

15 Parpadeo (flickers) Se refiere a las fluctuaciones en el nivel de voltaje. Estas son debidas a la conexión de cargas cíclicas como hornos eléctricos o por oscilaciones subarmónicas (subarmónicas se refiere a señales de frecuencia menor a la fundamental).

16 Interrupciones de energía Este es debido a aperturas de líneas, daño de transformadores, operación de fusibles o equipos de protección de la red, entre otras posibilidades. También se consideran interrupciones de energía aquellas que duran milisegundos.

17 Ruido eléctrico Es la distorsión (no necesariamente periódica) de la forma senoidal del voltaje. Este es debido a switcheo, transmisores de radio y equipo industrial de arco eléctrico.

18 Muescas (notching) Es un disturbio periódico de voltaje originado por la operación normal de dispositivos de electrónica de potencia cuando la corriente es conmutada de una fase a otra.

19 Distorsión armónica Es la distorsión (periódica) de la forma de onda senoidal del voltaje o corriente, ésta es causada por la operación de equipos no lineales tales como rectificadores y hornos de arco eléctrico. Este es un fenómeno en estado estable.

20 Los procesos industriales en la actualidad se encuentran funcionando con dispositivos electrónicos que hacen el trabajo más fácil. Contaminan la red eléctrica con armónicas. Se requiere un entendimiento amplío sobre el tema para contrarrestar sus efectos nocivos.

21 Problemas de funcionamiento en dispositivos electrónicos de regulación, protección y medición tanto de potencia como de control.

22 Aumento de pérdidas (I2R) Incremento de la corriente eficaz (rms) Disminución de su vida útil.

23 Vibración en motores y generadores

24 Falla de bancos de capacitores al exceder la corriente debido al contenido armónico del sistema

25 Fallas de transformadores.

26 CFE L Std. IEEE Una armónica es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental, son generadas por cargas no lineales existentes en los sistemas eléctricos.

27 Corriente [A] Carga lineal Tensión [V]

28 Carga no lineal

29 Usuario Compañía suministradora Compañía suministradora Usuario

30 Armónicas en los sistemas eléctricos Las armónicas son corrientes y/o voltajes presentes en un sistema eléctrico, con una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental. 1 fundamental (60 Hz) fundamental más tercera armónica 0.5 tercera armónica (180 Hz.)

31 Valores de distorsión Los valores de distorsión están definidos en % de cantidades eléctricas, estos valores son muy utilizados para conocer el grado de contaminación de las redes eléctricas. Distorsión armónica total Para el voltaje THD V V 2 2 V V x100

32 Para la corriente THD I I 2 2 I I x100

33 Distorsión total de demanda TDD I 2 2 I I 2 3 dem max x100

34 Factor K El calentamiento de los transformadores debido a las armónicas es directamente proporcional al cuadrado de la armónica multiplicado por las pérdidas que esta produce, de esta manera aparece el factor K el cual es aplicado a transformadores. Factor K h 1 I I h rms 2 h 2

35 Factor K Una unidad que mide la capacidad de un transformador de soportar el contenido de los armónicos de un sistema. Existen los transformadores K=4, K=13, K=20 y K=30.

36 TIPOS DE PRONUNCIAMIENTOS Pautas o directrices: Son ilustraciones y procedimientos que ejemplifican los parámetros típicos, además de representar soluciones para los problemas vinculados con el concepto de la calidad de la energía.

37 Prácticas recomendadas. Reconocen que existen varias maneras de solucionar los problemas de la calidad de la energía, pero recomiendan las soluciones más seguras.

38 Estándares: Son acuerdos formales entre la industria, los consumidores y el gobierno, se establecen los procedimientos para generar, probar, medir y consumir energía eléctrica.

39 Estándar IEEE Este estándar establece que el problema de las armónicas es un problema bilateral entre los usuarios que tienen cargas no lineales y la compañía suministradora de energía eléctrica ya que establece los límites de distorsión armónica de la corriente que los usuarios inyectan o transmiten al sistema eléctrico. A la vez establece los límites de la distorsión armónica de la tensión que la compañía suministradora proporciona a los usuarios.

40 Todos estos valores están referidos al PCC entre el usuario y la empresa suministradora. Además, estos valores son tales que se aseguran que el sistema y los equipos que lo conformas operen correctamente. PCC

41 Niveles de distorsión armónica permisibles en la corriente por el estándar IEEE V N O69 kv I CC / I L <11 11 h <17 17 h<23 23 h<35 35h TDD < > kV<V N O161kV < > V N >161 kv < P

42 Niveles de distorsión armónica permisible en la tensión por el estándar IEEE V N IHD Distorsión armónica individual THD-V N 69 kv kv< V bus 161 kv > 161 kv Estos límites deben ser acatados por ambas partes. La compañía suministradora tiene la obligación de vigilar que sus clientes permanezcan dentro de los rangos permitidos y de operar el sistema para entregar al usuario la tensión con los límites establecidos.

43 Pronunciamiento CFE L El pronunciamiento establecido en México, CFE L , tiene sus bases en un estándar anterior, y hace las adecuaciones necesarias para los niveles de tensión existentes en este país. V N O69 kv I CC / I L <11 11 h <17 17 h<23 23 h<35 35Ph TDD < > kV<V N O138kV < > V N >138 kv < P

44 Niveles de distorsión armónica permisibles en la tensión por CFE L V N IHD Distorsión armónica individual <1 kv kV - 69 kv kv kv >138kV THD-V N

45 Estándares IEC de la serie Desarrollados por la Comisión Internacional de Electrotecnia (IEC, International Electrotechnical Comission) en Europa. Aborda el problema de la compatibilidad electromagnética (CEM), que por supuesto incluye los problemas de la distorsión armónica Equipo Clase A: Equipo trifásico balanceado y todos los demás equipos a excepción de aquellos que estén listados dentro de otra clase. Equipo Clase B: Herramientas portables. Equipo Clase C: Equipo de alumbramiento. Equipo Clase D: Equipo con forma de onda especial cuya potencia de entrada está entre los 756 y 600 W.

46 GENERACIÓN DE ARMÓNIICAS magnitud tiempo real C 0 imag C 1 C 3 C 5 C 7 frecuencia

47 CONVERTIDORES Los convertidores son dispositivos que inyectan armónicas al sistema de corriente alterna debido a la operación de los elementos de switcheo (tiristores).

48 HORNOS DE INDUCCIÓN Los hornos de inducción son utilizados en la industria de manufactura. Las siguientes figuras muestran diferentes características de operación del horno de inducción.

49 Horno de inducción

50 Horno de inducción 2

51

52 Horno de inducción 3

53

54 HORNOS DE ARCO ELÉCTRICO Estos hornos son utilizados para la fundición del acero, por lo general se utilizan electrodos los cuales al hacer contacto con el acero se crea un arco eléctrico de tal magnitud que funde el acero. Por este motivo, los hornos de arco eléctrico son cargas que no se encuentran en estado estable, por lo general estos hornos inyectan las armónicas de la tabla. Proceso % de la corriente fundamental Al inicio de la fundición (arco activo) Refinamiento (arco estable)

55 La figura muestra una forma de onda de corriente típica de un horno de arco eléctrico. Es importante mencionar que al momento de entrar en operación este horno de arco, repercute fuertemente en el voltaje provocando caídas de tensión muy grandes.

56 SATURACIÓN DE TRANSFORMADORES La saturación de transformadores provoca la generación de armónicas, pues se trata de un elemento no lineal, las armónicas generadas por la saturación son las armónicas impares, principalmente la 3 a. La generación de estas armónicas se presentan en estado estable para cuando el transformador esta sobrecargado, provocando que el transformador opere en su región no lineal como se muestra en la figura 4.12.

57 LÁMPARAS FLUORESCENTES Las lámparas fluorescentes son otro tipo de cargas que generan armónicas, estas armónicas son generadas por el efecto de los balastros y los dispositivos no lineales y electrónicos que utilizan para su funcionamiento. La tabla 3.5. muestra algunas de características de algunas lámparas. Lámpara Phillips 23W (electronic choke) Phillips 23W (reactor-type choke) B&Q 9W (electronic choke) Ring 9W (electronic choke) Omega 60W (Tungsten) Factor de THD I Precio potencia (%) (USD)

58 A continuación se presentan algunas características de lámparas muy utilizadas en el ahorro de energía. Voltaje Corriente Frecuencia RMS Watts (P) Pico/Rms VA (S) THD Fund VAr (Q) Factor K 8.98 VAd (D) Total FP 0.85 D FP 0.90

59 2 Corriente Amps 1Ø mseg -2 Corriente Amps rms 1Ø Armónicas

60 Voltaje Corriente Frecuencia RMS Watts (P) Pico/Rms VA (S) THD Fund VAr (Q) Factor K 2.20 VAd (D) FP 0.59 Fdesp Corriente Corriente Amps 1Ø Amps rms 1Ø -1-2 mseg Armónicas

61 Como se puede observar, todas las lámparas ahorradoras son una fuente importante de armónicas que en conjunto, por ejemplo el alumbrado público, puede acarrear grandes problemas por la magnitud de estas armónicas en las cuales predomina la tercera armónica.

62 EQUIPO DE COMPUTO El equipo de computo, y en general el equipo de oficina, funcionan en base a una fuente de alimentación la cual es un puente rectificador el cual tiene la característica natural de generar armónicas.

63 CPU Voltaje Corriente Frecuencia 59.8 RMS Watts (P) Pico/Rms VA (S) THD Fund VAr (R) Factor K VAd (D) FP 0.54 Fdesp Corriente Corriente Amps 1Ø Amps rms 1Ø -1-2 mseg Armónicas

64 Monitor Voltaje Corriente Frecuencia RMS Watts (P) Pico/Rms VA (S) THD Fund VAr (Q) 4.00 Factor K VAd (D) FP 0.71 Fdesp Corriente Corriente Amps 1Ø Amps rms 1Ø -1-2 mseg Armónicas

65 EQUIPO DOMÉSTICO El equipo doméstico en la actualidad es electrónico, por tanto son fuentes de armónicas, entre el equipo más común generador de armónicas se mencionan a continuación.

66 Voltaje Corriente Frecuencia RMS Watts (P) Pico VA (S) DC Offset Vars (Q) Pico/Rms Vars (D) 9.21 THD Rms Pico P(t) THD Fund Fase 129 (+) HRMS Total FP Factor K 2.07 D FP Refrigerador

67 Televisor Sony Voltaje Corriente Frecuencia RMS KW (P) 0.09 Pico KVA (S) 0.14 DC Offset KVAR(Q) 0.02 Pico/Rms KVAR(D) THD Rms Pico (t) 0.53 THD Fund Fase 15 (+) HRMS Total FP 0.64 Factor K

68 DVD Voltaje Corrient e Frecuencia RMS Watts (P) 6.09 Pico VA (S) DC Offset Vars (Q) 0.02 Pico/Rms Vars (D) THD Rms Pico P(t) THD Fund Fase 5 (+) HRMS Total FP 0.38 Factor K **OL**

69 50 Horno de microondas 25 Voltaje Corriente Frecuencia RMS KW (P) 1.44 Pico KVA (S) 1.49 DC Offset KVAR(Q) 0.18 Pico/rms KVAR(D) 0.33 THD Rms Pico P(t) THD Fund Fase 173 (+) HRMS Total FP Factor K 1.70 D FP -0.99

70 Una casa habitación de clase media genera armónicas, sumando estas corrientes provenientes de todo un fraccionamiento, van a dar a los alimentadores, los cuales estarán expuestos a transportar corrientes armónicas, principalmente la tercera armónica.

71 EFECTOS DE LAS ARMÓNICAS EN MÁQUINAS ROTATORIAS Las maquinas como los motores y generadores están expuestos a operar bajo condiciones no ideales, estas condiciones implican las armónicas las cuales tienen un efecto considerable sobre la operación de estas maquinas.

72 El efecto se presenta principalmente en el calentamiento del mismo provocando pérdidas en el núcleo, además de que provoca pares parásitos en la flecha del mismo, provocando pares pulsantes, los cuales llevan al motor a una degradación rápida del mismo Par eléctrico

73 PROTECCIONES Las armónicas provocan que los dispositivos de protección tengan una operación incorrecta, tal es el caso de algunas protecciones de sobrecorriente que sensan la corriente del neutro. Esta corriente del neutro se ve incrementada con la presencia de terceras armónicas. Otras protecciones tienden a operar en pendientes pronunciadas de corriente, esta pendiente se puede incrementar con las armónicas y no necesariamente es una falla.

74 Relé Westinghouse de inducción. Como se observa presentan unas variaciones ante la presencia de armónicas en la corriente (corriente proveniente de un rectificador no controlado de 6 pulsos con carga resistiva), y por lo tanto se esta expuesto a tener una mala coordinación de protecciones para cuando el relé esta expuesto a armónicas.

75

76 EQUIPO ELECTRÓNICO Las corrientes armónicas provocan la distorsión de los voltajes en los nodos de alimentación, esta distorsión en el voltaje provoca la mala operación : Equipo de computo PLC s (controladores lógicos programables) Equipos de control y procesos, pues requieren de una alimentación totalmente limpia.

77 En las figuras se puede observar que si un equipo sensible se encuentra en el mismo nodo de alimentación que estas cargas, entonces tendrá problemas muy drásticos, pues se tiene un voltaje muy distorsionado. Forma de onda provocada por un controlador de velocidad para motor de inducción de 75 HP

78 Forma de onda del voltaje provocada por un rectificador de onda completa no controlada que alimenta una carga resistiva

79 MEDICIÓN

80 Los equipos de medición de energía más usados en México son los watthorimetros de inducción, los cuales ocupan cerca del 75% del total de los medidores y a lo mucho el 25% son de estado sólido.

81 El principio de funcionamiento de un watthorimetro de inducción se basa en que las formas de onda, tanto del voltaje como de la corriente, son totalmente senoidales. a) Caso ideal b) Caso real Figura Voltaje y corriente de una carga

82 La figura muestra el error que presenta un watthorimetro de inducción para cuando se tiene una carga resistiva a través de un tiristor el cual interrumpe el paso de la corriente. Error del watthorimetro de inducción al medir una carga resistiva switcheada por un tiristor a diferentes ángulos de disparo

83 Porcentaje de usuarios y energía facturada en la División Centro Occidente de la CFE. USUARIOS 1,093,551 usuarios 6,006 GWH de energía facturada Casa habitación 1,074, % 1, % Industrial y Comercial 19, % 4, % Se tiene que el 90% de los medidores son de inducción y solamente el 10% son medidores de estado sólido. La gran mayoría de los medidores de inducción se encuentran en las casas habitación y una cantidad mas pequeña en usuarios tipo industrial y comercial.

84 CAPACITORES El problema en los capacitores es debido a la resonancia que presentan con el sistema, esta frecuencia de resonancia muchas veces se encuentra cercana a la 5 a o 7 a armónica, armónicas muy comunes en los sistemas eléctricos. f res MVA MVars CC CAP Donde MVA CC es la potencia de corto circuito donde esta conectado el banco de capacitores. y los MVars CAP es la potencia del banco de capacitores.

85 La figura muestran las corrientes a través de un banco de capacitores cuando están expuestos a las armónicas. Figura Corriente típica de un capacitor que se encuentra en resonancia con el sistema.

86 Datos del banco de Capacitores de 40 kvar, 480 volts Voltaje Corriente Frecuencia 60,04 RMS 471,5 76,47 Potencia Pico 671,8 173,97 KW 33,0 DC Offset -0,3-0,26 KVA 36,1 Pico/RMS 1,42 2,28 KVAR 40.0 THD Rms 3,06 39,86 KW pico 116,3 THD Fund 3,06 43,46 Fase 179 lag HRMS 14,4 30,46 PF total 0,91 DPF 1,00

87 , 2,08 4,16 6,25 8,33 10,41 12,49 14, a) Forma de onda b) Contenido armónico Corriente armónica en un banco de capacitores de 40 kvar, 480 volts

88 PÉRDIDAS

89 Por el hecho de incrementarse la corriente RMS en la presencia de armónicas, entonces las pérdidas se verán incrementadas de igual manera como se puede ver en la siguiente ecuación:

90 Pérdidas por armónicas en casas habitación La figura muestra un diagrama de varios equipos comunes que se encuentran en una casa habitación, estos equipos producen armónicas las cuales pueden producir errores en la medición así como pérdidas por transmisión. Diagrama unifilar de casa habitación

91

92 Resumen de parámetros eléctricos medidos Voltaje Corriente Frecuencia RMS Potencia Pico KW 2.54 DC Offset KVA 2.62 Pico/RMS KVAR 0.57 THD RMS THD Fund Fase 13 HRMS PF total 0.97 Factor K 1.45 DPF 0.98 Armónicas I Mag %IRMS I DC

93 El voltaje de alimentación de esta casa habitación DC Forma de onda del voltaje armónica.

94 Armónicas del voltaje. Como se ha observado, las casas habitación contienen una contaminación armónica considerable, de esta manera estas armónicas viajarán a lo largo de los circuitos alimentadores, provocando pérdidas la distorsión en el voltaje es menor al 3%, donde para un THD igual al 17.57% en la corriente corresponde un error del 1.24% en la medición de la energía. Armónicas V Mag %VRMS V DC

95 ARMÓNICAS EN LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

96 Subestaciones de distribución en la ciudad de Morelia No. SUBESTACIÓN NOMENCLATURA 1 CAMPESTRE CPE 2 MORELIA DOS MRD 3 MORELIA INDUSTRIAL MOI 4 MORELIA NORTE MOR 5 MORELOS MEL 6 SANTIAGUITO STG

97 Resumen de las características de las subestaciones N CAPACIDAD PORCENTAJE DEL S.E. VOLTAJE No. DE CIRCUITOS o INSTALADA TIPO DE CARGA EN KV EN MVA EN M.T. R C I 1 CPE 115/ /16/ MRD 115/ /16/ MOI 115/ /16/ MOR 115/13.8 T1=12/16/ T2=12/16/ MEL 115/ /16/ STG 115/ /16/ R=Residencial; C=Comercial; I=Industrial

98

99

100

101

102 a) Forma de onda V rms = V pico = V DC Offset =0.03 % THD =2.74 RTP =115000/115 V ab en 115 kv b) Contenido armónico Figura S.E. Santiaguito 115 kv.

103 a) Forma de onda Amp I DC Offset =-0.08 % THD i = I rms I pico =21.74 Amp =35.90 Amp I DC Offset =-0.08 % THD i = b) Contenido armónico Figura S.E. Morelia Norte. Neutro del T1 Ref. Análisis Armónico en Sistemas Eléctricos. ITM-DIEE- PGIIE. Dr. M. Madrigal M.

104 RESPUESTA DEL SISTEMA Z 10 5 Sistema fuerte Sistema regular 10 4 Sistema débil Frec Hz

105 Resonancia paralelo La resonancia paralelo se da cuando las impedancias de un elemento inductivo con un capacitivo se igualan, donde estos elementos se encuentran en paralelo. Se presenta cuando el equivalente del sistema en el cual esta conectado un banco de capacitores, se iguala a la impedancia equivalente del banco de capacitores (quedando en paralelo). X sist X cap Figura 6.1. Circuito resonante paralelo

106 Entonces este equivalente paralelo esta dado por: Z eq X X sist sist X X cap cap f res 1 LC x Hz X cap MVACC 60 x60 Hz x60 X MVar sist CAP Hz Donde MVA CC es la capacidad de corto circuito donde está conectado el banco de capacitores y los MVar CAP es la capacidad del banco de capacitores.

107 Razón de corto circuito La razón de corto circuito es la razón que existe entre la capacidad del sistema y la capacidad de la carga no lineal conectado al sistema. SCR MVA MW CC rect Las recomendaciones expresan que si el SCR es menor a 20 entonces pueden existir fuertes problemas de resonancia.

108 5.2. TRAYECTORIA DE LAS ARMÓNICAS Toda corriente eléctrica fluye por donde se le presenta menor resistencia a su paso. Por esta razón las corrientes armónicas siguen trayectorias distintas, pues se tiene que las impedancias de los sistemas varían según la frecuencia. Donde se tiene que la reactancia inductiva se incrementa con la frecuencia y la resistencia se incrementa en menor medida, mientras que la reactancia capacitiva disminuye con la frecuencia. Así las armónicas fluyen hacia donde se le presenta menos resistencia a su paso, esto se muestra en la figura 5.5. Figura 5.5. Trayectoria de las armónicas en un sistema inductivo

109 En cambio si al sistema de la figura 5.5. se le incluye un banco de capacitores como se muestra en la figura 5.6., da lugar a unas trayectorias distintas para las armónicas. Figura 5.6. Efecto de los capacitores en las trayectorias de las armónicas

110 De esta manera se tiene que como las corrientes de secuencia cero tienden a fluir por los neutros del sistemas, entonces este comportamiento lo tienen las armónicas múltiplos de tres. Este efecto se puede ver en la figura 5.7. y 5.8. I a I b I n I c Figura 5.7. Circulación de la tercera armónica por el neutro de transformadores

111 Mitigación de armónicas

112 Reducir la aportación de corrientes armónicas Cuando se trata de fuentes de armónicas provenientes de lámparas, es recomendable utilizar conexión delta-estrella del transformador de alimentación con el fin de atrapar las armónicas de secuencia cero.

113 Si las armónicas provienen de un transformador, lo mejor será cambiar el transformador o liberarle carga.

114 Si se trata de un controlador de velocidad, una buena opción es conectar un reactor limitador en la alimentación de tal manera que atenúe la magnitud de las armónicas, además de servir como protección para estados transitorios. Glow lamp= Lámpara incandescente

115 Si se trata de un rectificador de 6 pulsos, una opción es cambiarlo por uno de 12 pulsos, aunque económicamente no puede ser factible.

116 Armónicas=pn±1 P=6, 12 y 18 pulsos n=1,2,3,4.

117 En caso de tener varias cargas que utilicen rectificación conectadas a un mismo bus, entonces lo recomendable es que unos rectificadores se alimenten de un transformador deltaestrella y otros de un delta-delta, esto con el fin de que se tenga cancelación de armónicas.

118 Utilizando filtros sintonizados La utilización de filtros es una buena opción pero no siempre es la más económica o factible, pues depende mucho de que problema se este tratando.

119 Modificación de la respuesta a la frecuencia Problema: Operación de los fusibles de bancos de capacitores debido a resonancia. Posible solución: Modificar la frecuencia de resonancia Poniendo un reactor en terminales del banco de capacitores, de tal manera que se modifiquen los MVAcc, esto no significa que se este poniendo un filtro sintonizado.

120 Cambiar el valor del banco de capacitores, esto traerá cambios en el FP, el cual se puede tratar de corregir mediante capacitores locales.

121 FILTROS ACTIVOS El principio de los filtros activos consiste en una fuente controlada de corriente cuyas armónicas tienen la misma magnitud y desfasadas de las armónicas a eliminar. El principio de estos filtros de muestra en la figura 6.1. Filtro activo carga no lineal

122 FILTROS ACTIVOS

123 Donde h es la armónica a la cual esta sintonizado el filtro, y por tanto a la corriente que se quiere drenar. El filtro sintonizado es utilizado para eliminar en forma individual las armónicas más bajas como la 3 a, 5 a y 7 a. En cambio el filtro pasa altas es utilizado para eliminar un rango de armónicas las cuales tienen un valor pequeño de corriente, por lo general son usados para eliminar de la armónicas 11 a en adelante.

124 En los casos prácticos, muchas veces esta resistencia es la propia del reactor, por lo que no se hace necesario la utilización de resistencias adicionales. Ejemplo. El sistema de la figura. muestra un sistema el cual puede presentar problemas de armónicas por el hecho de tener una carga que las genera, y un banco de capacitores el cual es usado para corregir el factor de potencia KV 125 MVAcc 4.8 MVar 8 MW

125 Solución: El análisis comienza en conocer la posibilidad de la existencia de algún problema de resonancia, esto se hace mediante: f res MVACC 125 x60 Hz x Hz MVar 4. 8 CAP SCR MVA CC MW rect Como en este caso se tiene que el SCR es menor que 20, y la frecuencia de resonancia es muy cercana a la 5 a armónica, armónica que es generada por el rectificador, por tal motivo es recomendable instalar un filtro de 5 a armónica.

126 Filtro para eliminar la quinta armónica X cap a 60 Hz 4. 8 X reac X cap a 300 Hz 5 25 para Q=20 R X f reac ( res ) 5 x Q 20 De esta manera el filtro queda como :

127 13.8 KV 125 MVAcc 0.40 R X reac 4.8 MVar 8 MW Sistema con filtro para la 5 a armónica

128 Los efectos del filtro cambian la respuesta a la frecuencia del sistema como se muestra en la siguiente figura. Por lo que es importante tener presente los problemas que se pueden tener por una mala sintonización del filtro. Respuesta del sistema al ser utilizado el banco de capacitores como parte del filtro.

129 CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN SISTEMAS CON ARMÓNICAS La corrección del factor de potencia se puede ilustrar mediante los siguientes esquemas, en la figura se observa que el sistema esta entregando una corriente activa I R y una corriente reactiva I L la cual provoca un bajo factor de potencia. Prácticamente este efecto se observa en la facturación y en la medición de los kw y kvar en el primario del transformador. Sistema con bajo factor de potencia

130 Para compensar este factor de potencia, basta con entregar la corriente reactiva de otro elemento en forma local, la cual puede ser de un banco de capacitores como se muestra en la figura. Factor de potencia compensado con un banco de capacitores

131 Consideraciones prácticas en la corrección del factor de potencia Las consideraciones prácticas para la implementación de un filtro toman en cuenta los limites para capacitores. Limites para el capacitor Valores incluyendo armónicas LIMITE en % del nominal I RMS 180 V RMS 110 V PICO 120 KVAr 135

132 Analizando los resultados se encuentra que el factor de potencia nuevo es bonificable por la compañía suministradora de energía. Además también se reduce la sobrecarga en el transformador así como la corriente total en el circuito alimentador.

133 NOTAS: 1. Pero como en esta caso se trata de una carga la cual genera armónicas, entonces es necesario hacer una serie de cálculos antes de proceder a la adquisición del banco de capacitores. 2. Antes de hacer el cálculo del filtro para eliminar la 5ª armónica es necesario ver cual es la frecuencia de resonancia. 3. Considerando que el sistema es robusto, entonces los MVAcc en el punto donde está conectado el capacitor depende solamente de la impedancia del transformador, esto es

134 MVA los MVAcc están dados por cc kv Z 2 MVA MVAcc 100 Z% MVA cc 100( 1) MVA cc Ahora h MVAcc MVAr CAP 5. 35

135 Debido a que la armónica es muy cercana a la 5ª que está en el sistema, entonces se hace necesario observar la relación SCR, esto es MVAcc MW CARGA NO LINEAL <20 Por tanto si se hace necesario el filtro de 5ª armónica. De lo contrario el banco de capacitores duraría no más de dos meses en operación.

136 Protecciones para los filtros

137 La protección o protecciones con que deben contar los filtros para la eliminación de armónicas deben cumplir con lo siguiente: 1. Deben de proteger tanto a los capacitores y equipo del filtro, como al usuario contra descargas o choques eléctricos. 2. Deben ser seguros ya que por el filtro va a circular la corriente a frecuencia fundamental y la corriente a la frecuencia de la armónica. 3. De igual manera sucedería con el voltaje en terminales de dicho filtro.

138 Algunas de las maneras para la protección del filtro son las siguientes: Protección térmica para bobinas. Capacitores sobre dimensionados. Protección contra sobrevoltaje. Protección contra sobrecorriente. Si en una misma línea o bus se tiene conectados varios filtros sintonizados a diferentes frecuencias armónicas; es recomendable que dichos filtros lleven una secuencia, ya sea para entrar y salir.

139 ANÁLISIS ARMÓNICO EN REDES ELÉCTRICAS Sistema de prueba IEEE 14 nodos.

140 Terminal HVDC: La configuración de esta terminal se muestra en la figura Cuenta con un transformador de 135 MVA, 230 KV -35KV-35.42KV con conexión estrella-estrella-delta y una reactancia de 2.8%. Los convertidores son de 100 MW a 83.3KV en el lado de c.d.

141 Convertidor estático de Vars (SVC): La configuración del SVC es de 10 MVAr y se muestra en la figura Consiste de un autotransformador de tres devanados conectado en delta con los niveles de voltaje de 230 KV-115KV-13.8KV. El SVC contiene un reactor de 48 mh controlado por tiristores, conectado en delta F F 302 HVDC TCR

142 NOTA: Un compensador avanzado de VAR estático es, en esencia, un convertidor con fuente de voltaje, como se ve en la figura, también puede sustituirse por un inversor con fuente de corriente. Se llama sólo compensador estático o STATCOM. Si el voltaje de línea V está en fase con el voltaje Vo del convertidor y tiene la misma magnitud de modo que V=Vo, puede que no haya corriente entrando o saliendo en el compensador, y no haya intercambio de potencia reactiva con la línea. Si ahora aumenta el voltaje del convertidor, la diferencia de voltaje entre V y Vo aparece a través de la reactancia de fuga del transformador reductor. El resultado es que se toma una corriente en adelanto con respecto a V y el compensador se comporta como un capacitor y genera VAR. Al revés si V>Vo, entonces el compensador toma una corriente en retraso, se comporta como un inductor y absorbe VAR.

143

144 El sistema se considera balanceado. Esto es líneas transpuestas y cargas balanceadas. Bajo estas condiciones un análisis armónico balanceado es suficiente para determinar los niveles de distorsión armónica. Para realizar el análisis armónico en el sistema, se deben seguir los siguientes pasos: 1. Respuesta a la frecuencia del sistema original. 2. Realizar una corrida de flujos de carga convencionales. 3. Inyectar las corrientes armónicas a los nodos 8,301 y 302 del sistema. 4. Obtener los voltajes nodales. 5. Obtener las corrientes que fluyen por las líneas.

145 1. Respuesta a la frecuencia del sistema original El análisis armónico se hace necesario para antes de hacer la conexión del HVDC y del SVC, con el fin de poder conocer la respuesta del sistema. Para esto se hace necesario primeramente conocer la respuesta del sistema a la frecuencia antes de conectar dichos elementos.

146 NODO 301 NODO 302

147 NODO 301 THD=204.68%

148 NODO 302 THD=204.68%

149 Instalación de filtros

150 NODO 301 NODO 302

151 NODO 301 SIN FILTRO CON FILTRO

152 NODO 302 SIN FILTRO CON FILTRO

153 Para realizar el cálculo de los voltajes nodales, se inyectará a los nodos 8, 301 y 302 las corrientes armónicas que se indican y la información de los filtros proporcionada las Fig. muestran los voltajes en algunos nodos del sistema. Cálculo de los voltajes nodales considerando los filtros

154 NODO 301 THD=11.59%

155 NODO 302 THD=11.59%

156 Comentarios 1. La distorsión armónica respecto a los dos casos anteriores se ha reducido considerablemente se puede apreciar que el THD ha disminuido a 5.77% y 5.55% para los nodos 3 y 8 respectivamente. 2. Los picos de resonancia paralelo para el nodo 3 están en 175 y 727 Hz que corresponden a la armónica 3ª y 7ª, para el nodo 8, los picos de resonancia paralelo se presentan en 259, 367 y 559 Hz que corresponden a la armónica 4ª, 6ª, 9ª pero con magnitudes más pequeñas. 3. Esto da una clara conclusión de que, el objetivo de los filtros es cambiar la respuesta a la frecuencia del sistema con el objetivo, de reducir la distorsión armónica del voltaje.

157 Mediciones en sistemas eléctricos industriales

158 La medición de las armónicas es de vital importancia, pues con ella se facilita el análisis y control de las armónicas. En la actualidad existe gran cantidad de equipo de medición de armónicas, equipo que en su mayoría, tiene interface a la computadora con el propósito de almacenamiento y procesamiento de información.

159 EQUIPO DE MEDICIÓN Debe contar con las siguientes características: 1. Medir como mínimo la armónica 25 (1500 Hz) 2. Mostrar la magnitud y ángulo de las armónicas 3. Mostrar valores RMS y THD como mínimo 4. Contar con transductores de corriente y potencial adecuados para frecuencias de hasta 3000 Hz. Errores < 1% y < 3% para TC s y TP s respectivamente. Estos equipos pueden ser: Analizadores de armónicas

160 PUNTOS DE MEDICIÓN Una vez que se tiene el equipo de medición es importante conocer los puntos en los cuales se deben hacer las mediciones para poder tener un conocimiento global de la propagación de las armónicas, estas mediciones de ser en: Mediciones de las corrientes de fase y neutro Mediciones de los voltajes de fase El lugar de las mediciones deberán de hacerse de acuerdo al sistema, como se muestra a continuación.

161 Se recomienda ampliamente hacer las mediciones en: 1.Las subestaciones 2.Los alimentadores Estas lugares de medición se muestran en la figura. 2-Y 5-X 1-Y 3-X 4-X 6-Y 7-Y Punto de medición

162 Sistemas industriales

163 Para las plantas industriales es recomendable hacer las mediciones en los siguientes puntos: 1.Punto de conexión con el sistemas 2.Nodos internos de la planta 3.Cargas no lineales 4.Bancos de capacitores M Punto de medición

164 Para las plantas industriales es recomendable hacer las mediciones en los siguientes puntos: 1.Punto de conexión con el sistemas 2.Nodos internos de la planta 3.Cargas no lineales 4.Bancos de capacitores M Punto de medición

165 Metodología general propuesta para la solución de problemas de calidad de la energía

166 Seguridad en mediciones eléctricas A nivel mundial diariamente un promedio de nueve mil trabajadores sufren accidentes eléctricos en entornos de alta energía que les dejan inválidos o les quitan la vida.

167

168

169 Arco eléctrico Un arco eléctrico o una falla de arco es una descarga disruptiva de corriente eléctrica a través del aire en electricidad equipo de un conductor expuesto en vivo a otro o al suelo.

170 Producen calor intenso, explosión de sonido y ondas de presión. Los arcos eléctricos tienen temperaturas extremadamente altas, irradian calor intenso, puede encender la ropa y causar quemaduras graves que pueden ser fatales.

171

172 EXPANSIÓN VOLUMÉTRICA El cobre vaporizado provoca una expansión volumétrica de a 1.

173 ENERGÍA TÉRMICA La temperatura que alcanza el arco eléctrico provocado por una falla son del orden de C, lo que puede quemar a una persona a 3 metros, y fundirle la ropa sintética a la piel. Además que las quemaduras de la ropa incendiada se suman a las ocasionadas por el arco eléctrico.

174 Además que las quemaduras de la ropa incendiada se suman a las ocasionadas por el arco eléctrico.

175 ENERGÍA ACÚSTICA La energía acústica de un arco eléctrico causa sordera temporal. Explosión de arco a 2 ft 145 decibels Motor de reacción a 200 ft 132 decibels Umbral del dolor 130 decibels

176 ESCOMBROS Las piezas desprendidas de los equipos al momento de una falla con arco eléctrico pueden viajar hasta unos 400 km/h, lo que puede dañar todos los órganos de una persona. 350 km/h

177 LUZ MUY INTENSA La luz de un arco eléctrico causa daños a la vista, incluyendo la ceguera.

178 Probabilidad de supervivencia

179 Explicación: Una persona tiene posibilidad de sobrevivir al 100% si se encuentra en el rango de edad de años y si sólo sufrió quemaduras del 25%.

180 Una persona de edad avanzada, por ejemplo si tomamos el rango de años, sólo tiene la probabilidad de sobrevivir del 60%, si en su caso sufrió quemaduras del 50%. Esto quiere decir, a mayor edad y con un porcentaje alto de quemaduras, menor será la probabilidad de sobrevivir.

181 CASO DE ESTUDIO

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206 Comentarios finales Como se puede observar es de vital importancia saber identificar a las cargas que generan armónicas, pues en las mayorías de los casos estas mediciones son utilizadas por el software de propagación de armónicas para realizar una serie de estudios. La medición de la corriente en los bancos de capacitores da un indicativo claro de problemas de resonancia. Es importante hacer mención de que una vez que se han observado problemas de resonancia mediante la medición en los bancos de capacitores.

207 Es necesario hacer una vez más una serie de mediciones en la planta, pero ahora teniendo todos los bancos de capacitores fuera de operación, esto se hace con el fin de conocer la trayectoria natural de las armónicas en un sistema puramente inductivo. Claro está que en ciertos casos resulta inadmisible sacar los bancos de capacitores de operación, pero es lo recomendable. También es importante hacer la medición a diferentes periodos del día, pues en muchos de los casos las plantas presentan una operación muy distinta durante el día.

208 CALIDAD DE LA ENERGÍA EN SISTEMAS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES DESBALANCEADOS: FACTOR DE POTENCIA Y FILTRADO DE ARMÓNICAS Dr. Ángel Marroquín de Jesús amarroquind@utsjr.edu.mx Bahía de Banderas, Nayarit, 4 de junio del 2015.