Armónicos: Efectos, diagnostico y soluciones

Transcripción

1 Armónicos: Efectos, diagnostico y soluciones JCEE 09 Francesc Fornieles

2 Costes de una instalación Costes Técnicos Sobrecarga de instalaciones Falta de capacidad en transformadores y líneas Niveles de pérdidas elevados Niveles de pérdidas elevados Costes Económicos Visibles Ocultos: Energéticos Instalaciones Procesos productivos Conceptos factura Conceptos factura Energía no necesaria Energía no necesaria Ampliación de instalaciones Ampliación de instalaciones Costes no necesarios Costes no necesarios Costes Ecológicos CO generado por demanda excesiva Energías fósiles 1Mwh 1 tco Energías fósiles 1Mwh 1 tco Energías mixtas 1Mwh 0,6 tco Energías mixtas 1Mwh 0,6 tco

3 Factores de los costes en instalación Medida Planificación, supervisión y Corrección Energía Activa Energía Reactiva Energía Distorsión Transitorios Interferencias Compensación Reactiva Filtrado de Armónicos Optimización Consumo Trabajo Útil Perdidas Energía Fluctuante Problemas EMC Reducción Perdidas Mejor Aprovechamiento energético Energía Consumida Recargo Paros no deseados C O S T E S A H O R R O

4 FILTRADO DE ARMONICOS

5 Índice Panorama eléctrico Qué son los armónicos? Efectos de los armónicos Estudio de una instalación Soluciones

6 Panorama Eléctrico El crecimiento substancial de los dispositivos electrónicos en los últimos años han dado lugar a un cambio significativo de los tipos cargas conectadas al sistema de distribución eléctrico. Calidad de Vida Polución Eléctrica Estos dispositivos están equipados con rectificadores, moduladores, en definitiva una electrónica que distorsionan la forma de onda de la corriente.

7 150,00 100,00 50,00 0,00-50,00-100,00-150,00 Onda Ideal 0 0,4 0,6 0,8 0, 1 1, 1,4 1,6 1,8,,4,6,8 3 3, 3,4 3,6

8 300,00 00,00 100,00 0,00-100,00-00,00-300,00 Onda Distorsionada 0 0,4 0, 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 1,8,,4,6,8 3 3, 3,4 3,6

9 ϕ U I Tipo de cargas Carga lineal: Intensidad absorbida es con forma de onda senoidal. Ej.: resistencias, cargas inductivas en régimen permanente y no saturadas. (motores, transformadores...). I U Carga no lineal o deformante: Intensidad absorbida es con forma de onda no senoidal. Existencia de armónicos. Ej.: Arrancadores, variadores de velocidad...

10 Qué distorsiona la tensión?

11 Que son los armónicos? El matemático francés Jean Baptiste Fourier determino que toda forma de onda periódica no-senoidal puede ser representada como la suma infinitas de ondas senoidales cuya frecuencias son enteros múltiples de la frecuencia fundamental.

12 -60,00-40,00-0,00 0,00 0,00 40,00 60,00 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 1,8,,4,6,8 3 3, 3,4 3,6-30,00-0,00-10,00 0,00 10,00 0,00 30,00 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 1,8,,4,6,8 3 3, 3,4 3,6-50,00-00,00-150,00-100,00-50,00 0,00 50,00 100,00 150,00 00,00 50,00 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 1,8,,4,6,8 3 3, 3,4 3,6 + + Fundamental Armónicos -00,00-150,00-100,00-50,00 0,00 50,00 100,00 150,00 00,00 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 1,8,,4,6,8 3 3, 3,4 3,6 Descomposición Armónica

13 Comportamiento de los armónicos L1 L3 L Secuencia Secuencia Secuencia Directa Inversa Homopolar n1+3k n+3k n3+3k Orden Fund Frecuencia Secuencia

14 Por que normalmente no hay armónicos de orden par? Si la señal tiene la misma forma de onda en el semiciclo positivo y en semiciclo negativo, los armónicos de orden par se anulan entre si. Supongamos que hay armónicos de º orden, podemos escribir que: Conceptos básicos Sabiendo que ( ωt+ π ) ( ωt ) I I Queda demostrado que I es nulo, ya que es la única forma de cumplir la expresión anterior.

15 Armónicos de 3er orden y múltiples de tres: Estos solo circulan por el conductor neutro, además se suman lo que puede suponer importantes sobrecargas en dicho conductor. Las corrientes armónicas de 3er orden en un sistema trifásico son: Conceptos básicos Con lo cual se demuestra que los armónicos de 3er orden son homopolares. Si no hay neutro la carga sencillamente no podrá generarlos, y si hay conductor neutro todas las corrientes armónicas de 3er orden se sumaran y pasaran por el neutro, con su consecuente sobrecarga.

16 Evaluación de las medidas Valor eficaz/rms: I Distorsión individual: I (A) V V (V) In In(%) 100 Vn V n(%) 100 I V 1 1 Tasa de distorsión armónica: n RMS n 1 RMS n 1 n THDI (%) 40 n II THDV (%) 40 n VV 1 100

17 00,00 150,00 100,00 Ejemplo de medidas fundamentales Valor Eficaz: 50,00 0,00 I165A; I313A; I539A; I731A; I9A FORMA I RMS , 95A DE ONDA Distorsión Individual: I 3 (%) % I 5 (%) % I 7 (%) , 70% I (%) , 08% Tasa de Distorsión Armónica: 40-50,00-100,00-150,00-00,00 ESPECTRO THDI% ,7%

18 Ejemplo de medidas fundamentales Valor Eficaz: I165A; I313A; I539A; I731A; I9A I RMS , 95A Distorsión Individual: I 3 (%) % I 5 (%) % I 7 (%) , 70% I 9 (%) 100 3, 08% Tasa de Distorsión Armónica: THDI% ,7%

19 Que efectos tienen los armónicos?

20 Efecto de los armónicos ELEMENTO PROBLEMA EFECTO Conductor Conductor de Neutro Condensador Maquinas Eléctricas Equipos de Medida y Control Aumento de la corriente Aumento de perdidas térmicas (efecto Joule) Circulación armónicos múltiplos de 3 Retorno por el conductor de neutro Resonancia paralelo con el sistema Amplificación de los armónicos Circulación de corrientes armonicas por los devanados y tensiones armónicas en bornes Medidas no válidas Errores en procesos de control Calentamiento cables (deterioro) Disparo de protecciones Sobreintensidad por el neutro Calentamiento del neutro Degradación prematura Disparo de protecciones Calentamiento condensadores Envejecimiento prematuro de condensadores Destrucción de condensadores Sobrecalentamiento y perdida de aislamiento térmico (efecto Joule) Aumento perdidas magnéticas (por Histeresis y Foucault) Desclasificación (Transformador) Vibraciones en el eje, desgaste mecánico en rodamientos y excentricidades (motores) Valores de magnitudes incorrectas Interferencias con sistemas de comunicación y control Error en los instantes de disparo de tiristores

21 Conductores Aumento de la Irms: I RMS Efecto de los armónicos I + I + I I 1 n R aumenta con la frecuencia Efecto Skin Area Conductora Efecto Disparo intespentivo de las protecciones. Sobrecalentamiento de los cables.

22 Efecto de los armónicos Conductor de Neutro Retorno de las corrientes homopolares (armónicos 3K) Efecto Disparo intespentivo de las protecciones. Sobrecalentamiento del cable del neutro. Sobreintensidades en el neutro. Tension neutro-tierra.

23 Efecto de los armónicos Condensadores Disminución de la impedancia cuando aumenta la frecuencia. La conexión de baterías de condensadores pueden producir resonancias paralelo y amplificación de los armónicos. Calculo de la frecuencia resonante: f r 1 π LC I armónicas MT Transformador MT/BT f r fn Scc Q ~ ~ M generadores de armónicos (Gh)

24 Efecto de los armónicos Ejemplo resonancia

25 Efecto de los armónicos Ejemplo resonancia

26 Transformadores Incremento de perdidas por efecto Joule. P Cu R I RMS Efecto de los armónicos Efecto Sobrecalentamiento en los devanados. Aumento perdidas magnéticas. Rendimiento del transformador. I RMS P Cu B Incremento de perdidas en el Hierro Dentro de la zona son perdidas H P P P Fe Focault P Histeresis Focault k 1 B k + B P f Histeresis f.a η C S cosϕ C S cosϕ + P Fe + C PCu

27 Transformadores Efecto de los armónicos K Factor (EEUU) Factor K (UE) Transformadores Comerciales Desclasificacion del transformador S 1000 kva ; Factor K 1,7 S S/K 1000/1,7 787,4 kva

28 Motores Incremento de perdidas por efecto Joule. Incremento de perdidas magnéticas. Eficiencia del motor. Efecto de los armónicos Efecto Sobrecalentamiento en los devanados. Aumento perdidas magnéticas. Rendimiento del motor. Reducción del par. Vibraciones, oscilaciones. Armonico 3k-1 Giro Motor Armonico 3k+1 SECUENCIA o + - o

29 Motores Efecto de los armónicos n Vn HVF HVF < 0, 05 n n 5 NORMA NEMA MG NORMA IEC 6089

30 Factor de potencia Efecto de los armónicos PF P S Potencia Activa Potencia Activa + Potencia No Activa CAUSAS DE F.P.<1 Desfase entre tensión y corriente: Potencia Reactiva. Presencia de perturbaciones armónicas Desequilibrio de consumos entre fases

31 Efecto de los armónicos Factor de potencia Sin armonicos: Cosϕ P S P P + Q PF Con armonicos: P S P + P Q + D S Q' S T D Cos ϕ P γ ϕ P S 1 Q Cos ϕ PF

32 Efecto de los armónicos Factor de Potencia (Ejemplo): P 400 kw ; Q 19 Kvar ; THDI% 48% Cosϕ P S ,90 PF Dist THDI , 48 0, 90 PF Dist cos ϕ PF 0,9 0,9 0,81

33 Normas y limites IEC IEEE-519:199

34 Estudio de una instalación Detección de síntomas de perturbaciones armónicas Obtención de información de la instalación Inspección Física Mediciones con: Analizador de redes Analizador de calidad de red Multimetro capaz de medir en verdadero valor eficaz Diagnostico Temporal Definitivo Solución/es Seguimiento Supervisión y control de la instalación

35 Información Previa

36 Información Previa Datos para pre-estudio armónico RED PCC MEDICIONES EN CUADRO GENERAL BT Transformador 1 CON BATERIA SIN BATERIA HILOS M M L1 L L3 N MEDICIONES EN CARGAS SIN DISTORSIÓN Transformador MEDICIONES EN CUADROS SECUNDARIOS CON CARGAS MONOFÁSICAS FASE - NEUTRO Sn (Potencia Transformador): U (Tensión Nominal): Ucc (Tensión de cortocircuito): MEDICIONES EN CARGAS CON DISTORSIÓN MEDICIONES EN LA(S) BATERIAS kva V %

37 Puntos de medida: 1,,3,4,5,6.. Información Previa Datos para pre-estudio armónico Nº ARMONICOS THD THD (V) THD (I) In(A) Si existe batería de armónicos Baterias de condensadores THD(I) THD(U) CON BATERIA CONECTADO % % Q(batería) P(Instalación) THD(I) THD(U) CON BATERIA DESCONECTADA % % kvar kw

38 Soluciones

39 Estructura de la instalación: Soluciones Los armónicos afectan mas a el material sensible que a la red general. Los armónicos afectan mas a el red general que al material sensible.

40 Estrategias de Filtrado Ubicación Cuadro General Cuadros Secundarios Filtrado Individual Efectos Reducir el nivel de THDI que se genera hacia la red (punto de acoplamiento comun) Reducir el valor eficaz de la corriente en las lineas de la instalacion sin perdida de potencia Reducir perdidas Reducir la corriente eficaz en el punto donde se genera. Reducción de las perdidas en todo el sistema

41 Soluciones: FR Eliminación riesgo de resonancia, batería con filtros modelo FR. p 7% Frecuencia de resonancia 189Hz f r π 1 LC p(%) 100 ω ω r p% 7% 14% wr 189 Hz 134 Hz Armónico rechazado h>5º, f > 50Hz h>3º, f > 150Hz

42 Soluciones: LCL Cómo se conecta? Se conecta de forma individual, aguas arriba del convertidor, justo delante de él y en serie. REACTANCIA DE LA RED L1 L CONVERTIDOR L3 M 3 C Qué debemos saber de la instalación n para poder ofertar un LCL? Tensión de trabajo de la red Frecuencia de la red Corriente consumida por el equipo

43 Soluciones: LCL SIN FILTRO CON FILTRO, 70% DE CARGA Corriente de línea sin filtro, THD(I)3%; THD(V)4,4% Corriente de línea con filtro, THD(I)8%; THD(V)1,4%

44 Soluciones: LCL SIN FILTRO CON FILTRO, 80% DE CARGA Corriente de línea sin filtro Irms 35 A THD(I)5,3%; THD(V)1,9% Corriente de línea con filtro Irms50 A THD(I)18,7%; THD(V)3,1% En valor absoluto: 9% menos corriente eficaz. 50% menos perdidas por efecto Joule. 44% menos de corriente distorsionante que se vierte a la red por esta maquina.

45 Soluciones: Filtros Activos NETACTIVE Compensador activo MULTIFUNCIÓN Filtros activos AF Trifásico 4 hilos Monofásico hilos Trifásico de 3 hilos Trifásico 4 hilos APF-4W AF-W AF-3W AF-4W Filtrado de armónicos Equilibrado de fases Compensación energía reactiva Filtrado de armónicos con ó sin compensación de reactiva Filtrado de armónicos

46 Soluciones: Filtros Activos La compensación de armónicos esta basado en la inyección de una corriente en contra fase, que cancela los armónicos generados por la carga.

47 Soluciones: Filtros Activos Funciones del compensador multifunción APF-4W: Filtrado de armónicos Equilibrado de corrientes de fase en sistemas desequilibrados Compensación del factor de potencia. Ideal para instalaciones con gran cantidad de cargas monofásicas y trifásicas generadoras de armónicos: SAI Luminarias Aparatos elevadores Aires acondicionados.

48 Sobre la eficiencia.. Conclusiones La eficiencia energética es la optimización del consumo eléctrico + calidad de la onda + calidad de suministro La no eficiencia energética comporta costes económicos, técnicos y ecológicas El Confort eléctrico conlleva la generación de armónicos y fugas. Por tanto es necesario su eliminación y control. La medida nos aporta la información necesaria para conocer el funcionamiento de nuestra instalació, y poder buscar diferentes aplicaciones de mejora. El filtrado de armónicos y la compensación de reactiva, permiten una mayor demanda de potencia en una instalación, evitando paradas de procesos y averías

49 Gracias por su atención Conéctese: