Distorsión de Voltaje Provocada por cargas no lineales Corriente de la carga + Vs(t) - i (t) Carga No Lineal + V L (t) - Voltaje de la Fuente Voltaje de la Carga (distorsionado)
Correción de factor de potencia ante la presencia de cargas no lineales CARGA NO LINEAL Filtro Banco de capacitores
Condición Original (480V) Z w
Z Conectando banco de capacitores (480V) w
Z Instalando filtros (480V) w
Efecto de incrementar el tamaño del banco en la frecuencia de resonancia X= 50% X= 30% Armónica (h) X= kvar/kvat
Niveles de distorsión permitidos por el estándar IEEE-519 Distorsión en Voltaje Voltaje Armónicas Individuales (%) THD(%) V < 69 kv 3.0 5.0 69 < V < 161 kv 1.5 2.5 V > 161 kv 1.0 1.5
Niveles de distorsión permitidos por el estándar IEEE-519 Distorsión en Corriente Icc/IL TDD h (%) TDD h (%) TDD h (%) TDD h (%) TDD h (%) TDD(%) (h<11) (11<=h<17) (17<=h<23) (23<=h<35) (35<=h) <20 4 2 1.5 0.6 0.3 5 20 a 50 7 3.5 2.5 1 0.5 8 50 a 100 10 4.5 4 1.5 0.7 12 100 a 1000 12 5.5 5 2 1 15 > 1000 15 7 6 2.5 1.4 20 MVA Icc( ka) = 3 CC [ kv ] LL TDD (%) h = 100 I I h L TDD (%) = 100 h= h max I 2 h h= 2 I L I L representa el valor de corriente correspondiente al valor promedio de la demanda máxima que se ha presentado en los últimos doce meses
Estándar IEEE-519 13.8 kv h IL(A) @ 13.8 kv 1 34.8 5 3.5 7 1.7 PCC-1 MVA CC1 =200 ICC = 8.4 ka ICC/IL = 243 Valores Registrados 1 MVA Z=6.0% h IL (A) @ 480 V 1 1000 5 100 7 50 IL PCC-2 MVA CC2 =15.4 ICC = 18.5 ka ICC/IL = 18.5 Icc/IL <11 11<=h<17 17<=h<23 23<=h<35 35<=h TDD <20 4 2 1.5 0.6 0.3 5 20 a 50 7 3.5 2.5 1 0.5 8 50 a 100 10 4.5 4 1.5 0.7 12 100 a 1000 12 5.5 5 2 1 15 > 1000 15 7 6 2.5 1.4 20 PCC-1 I 5 =3.5 A, I 7 =1.7 A I 5,7 máx=4.18 Cumple con Estándar IEEE-519 PCC-2 I 5 =100 A, I 7 =50 A I 5,7 max=40 NO Cumple con Estándar IEEE-519 Figura 3. Aplicación del estándar IEEE-519 en una planta industrial
IEEE-519 Distorsiones por debajo del 5% son recomendables Distorsiones arriba del 5% provocan efectos negativos en motores, transformadores, relevadores, medidores, etc. Distorsiones arriba del 10% son INACEPTABLES El Estandar IEEE-519 recomienda que las compañías suministradoras mantengan los niveles de distorsión de voltaje debajo del 5%, y que los clientes mantengan la inyección de corriente debajo de valores que dependen de la rigidez del sistema. Los límites establecidos para la corriente son fijados de tal manera que si todos los usuarios los respetan, la compañía suministradora puede mantener la distorsión por debajo del 5%
Diseño y simulación de filtros de armónicas (Fundamentos) En la mayoría de los sistemas eléctricos, el agregar un rectificador de 6 pulsos de 500 HP (o mayor), puede provocar distorsiones de voltaje mayores del 5%. Aún y cuando la mayor distorsión de voltaje suele ocurrir en terminales del variador, en ocasiones se presenta en un bus remoto donde se tienen conectados bancos de capacitores, probablemente en un alimentador adyacente suministrado por el mismo transformador. La mayoría de los problemas relacionados con armónicas en sistemas de distribución son debidos a la 5a y 7a armónica debido a que los capacitores utilizados para corregir factor de potencia tienden a producir una frecuencia de resonancia en este rango de frecuencias. Los rectificadores de 12 pulsos causan menos problemas ya que no producen estas componentes.
Diseño y simulación de filtros de armónicas (Fundamentos) Con el objeto de cumplir con las recomendaciones del estándar, los clientes (y las compañías suministradoras) pueden agragar filtros paralelo. El objetivo es proporcionar trayectorias de baja impedancia a las corrientes armónicas y evitar que estas fluyan al resto del sistema, evitando de esta manera distorsiones elevadas de voltaje En muchas ocasiones es suficente instalar un filtro de 5a. Si no resultara suficiente, se pudiera agregar un filtro de séptima y, en casos más complicados,pueden agregarse filtros de 11a, 13a y paso alto.
Utility ~ Low Voltage Bus Nonlinear Load (VFD) Filter
Effect of filter on voltage distortion jh SCKVA Zs(h) Zn(h) h 2 n j h KVAn j h KVAn I(h) an(h) = Attenuation factor of the h-th harmonic due to the n-th harmonic filter δ 1 kva an ( h ) = 1+ SCKVA where : δ h h 2 2 ( h ( k ) ) ( ) n h ( k ) n k = 2 2 n (1 ) + L + δ kva SCKVA N n ( N )
FlowChart for the computer program Read system data Utility SCMVA, XFMR(Z and kva) Drive KVA, Harmonic Spectra (%I(h)), Displacement power factor Filter(s) kvar, Detuning Factors(α) Maximum allowed THDV(THDVmax) Evaluate harmonic Voltages and THDV without filters V( h) = [% I( h)][ h] DrivekVA SCKVA THDV = Calculate attenuation factors an(h), resulting harmonic voltages and THDV Vf( h) V( h) a ( h) = THDV = [ Vf h ] n 43 h= 5 [ V h ] ( ) 2 δ 1 kvan ( 1) δ N kvan ( an( h) N ) = 1+ + L+ SCKVA SCKVA 43 ( ) 2 h= 5 Calculate harmonic filter loading and harmonics flowing into the system V( h) In( h) = I( h) Zn( h) ; I s ( h) = an( h) 12903.2 SCKVA 480 V Calculate filter specs using spredasheet filters.xls Generate Report *Voltage/current distortion * Filter sepecifications) ~ SCMVA 13.8 kv 50 5.75% 1000 kva THDV 3.58% 472.50 233.62 0.031911 W A RMS 0.03256 W A RMS 500kVAr @ 600V 250kVAr @ 600V Modify filter(s) kvar NO THDV<THDVmax? YES 900 kva 6-pulse 250 HP 480-V CSI VFD(measured) 5-th 7-th
Case Study ~ UTILITY 13.8 kv SCMVA=50 480 V 1000 KVA Z (%) = 5.75... 5th 7th 150-HP PWM VFDs TOTAL LOAD =900 KVA 300 kvar 150 kvar α=0.95 α=0.95
Simulation Results
Simulation Results NO FILTERS FILTERS h %I(h) % V(h) a(h) % Vf(h) 5 33.7 11.753 6.03 1.9504 7 1.09 0.5322 7.66 0.0695 11 7.37 5.6546 2.55 2.2158 13 3.5 3.1736 2.39 1.3287 17 3.5 4.1501 2.25 1.8409 19 2.1 2.783 2.22 1.2526 23 1.6 2.5668 2.18 1.1759 25 1.4 2.4413 2.17 1.1247 29 0.8 1.6182 2.15 0.7513 31 0.9 1.946 2.15 0.906 35 0.6 1.4648 2.14 0.6848 37 0.5 1.2904 2.14 0.6042 41 0.4 1.1439 2.13 0.537 43 0.3 0.8998 2.13 0.4228 THDV(%) 15.176 4.5581
Simulation Results XFMR(NO FILTERS) XFMR(FILTERS) 5TH FILTER 7TH FILTER I(AMPS) I(AMPS) I(AMPS) I(AMPS) FUNDAMENTAL 1082.5 982.62 402.75 196.90 5 364.8 60.54 347.45 43.18 7 11.8 1.54 1.60 8.66 11 79.8 31.26 21.50 27.02 13 37.9 15.86 10.24 11.78 17 37.9 16.81 10.20 10.88 19 22.7 10.23 6.11 6.39 23 17.3 7.93 4.64 4.75 25 15.2 6.98 4.05 4.12 29 8.7 4.02 2.31 2.33 31 9.7 4.54 2.60 2.61 35 6.5 3.04 1.73 1.73 37 5.4 2.53 1.44 1.44 41 4.3 2.03 1.15 1.14 43 3.2 1.53 0.86 0.86 HARM. CURRENT 379.2 73.85 348.55 55.01 RMS CURRENT 1147.0 985.39 532.63 204.44 THDI (%) 35.0% 7.52%
Simulation Results (Filter specs) Low Voltage Filter Calculations: Example Filter Design Spreadsheet SYSTEM INFORMATION: Filter Specification: 5 th Power System Frequency: 60 Hz Capacitor Bank Rating(Available) 500 kvar Capacitor Rating: 600 Volts Rated Bank Current: 481 Amps 60 Hz Nominal Bus Voltage: 480 Derated Capacitor: 320 kvar Capacitor Current (actual): 384.9 Amps Total Harmonic Load: 900 kva Filter Tuning Harmonic: 4.75 Filter Tuning Frequency: 285 Hz Cap Impedance (wye equivalent): 0.7200 W Cap Value (wye equivalent): 3684.1 uf Reactor Impedance: 0.0319 W Reactor Rating: 0.0846 mh Filter Full Load Current (actual): 402.8 Amps Supplied Compensation: 335 kvar Filter Full Load Current (rated): 503.4 Amps Transformer Nameplate: 1000 Utility Side Vh: 2.00 % THD (Rating and Impedance) 5.75 (Utility Harmonic Voltage Source) Load Harmonic Current: 86.54 % Fund Load Harmonic Current: 348.6 Amps Utility Harmonic Current: 67.8 Amps Max Total Harm. Current: 416.4 Amps CAPACITOR DUTY CALCULATIONS: Filter RMS Current: 579.3 Amps Fundamental Cap Voltage: 502.3 Volts Harmonic Cap Voltage: 103.9 Volts Maximum Peak Voltage: 606.1 Volts RMS Capacitor Voltage: 512.9 Volts Maximum Peak Current: 819.1 Amps CAPACITOR LIMITS: (IEEE Std 18-1980) FILTER CONFIGURATION: Peak Voltage: 120% < > 101% Current: 180% < > 120% XL => 0.0319 W KVAr: 135% < > 103% RMS Voltage: 110% < > 85% 500 kvar 600 V FILTER REACTOR DESIGN SPECIFICATIONS: Reactor Impedance: 0.0319 W Reactor Rating: 0.0846 mh Fundamental Current: 402.8 Amps Harmonic Current: 416.4 Amps