Case story Cómo filtrar armónicas y elevar el factor de potencia? www.kotkoff.com
Cómo filtrar armónicas y elevar el factor de potencia? En mi experiencia, los equipos en baja tensión que mas armónicas generan y bajan drásticamente el Factor de Potencia son los Drives de DC. Una empresa en Baja California, se dedican a producir rollos de plástico de tirajes muy largos; el torque de las maquinas debe ser muy fino y a muy baja velocidad, de lo contrario el plástico se rompe. Sus máquinas contienen tableros llenos de VFD de corriente directa, los cuales estaban generando una distorsión en corriente muy alta, distorsionando la forma de onda de voltaje y bajando el FP a 0.4i. El cliente durante años se dedicó a instalar capacitores fijos sin reactor, los cuales entraban en resonancia franca y se quemaban en menos de un mes. Se les hizo un estudio con equipos Dranetz para conocer el perfil de cada tablero principal. A continuación se muestran los resultados, los cuales fueron utilizados para diseñar los filtros. 1
Se ve claramente como la forma de onda después de instalar el filtro sintonizado es mas senoidal. Gráfica 1.1 Forma de Onda de Voltaje antes y después filtro sintonizado 200 kvar La forma de onda de corriente sin filtro pierde totalmente la forma de onda senoidal; es una forma de onda típica de un Drive de 6 pulsos. La forma de onda de corriente con el filtro trabajando es mas senoidal. Gráfica 1.2 Forma de Onda de Corriente Irms antes y después filtro 200 kvar 2
Gracias a la aportación de reactivos del filtro, la corriente Irms ttse disminuye aproximadamente 150 Amperes, liberando carga en el transformadort. Gráfica 1.3 Corriente Irms antes y después filtro 200 kvar La potencia máxima en kva s antes del filtro superaba los 250 kva s. Gracias a la disminución de reactivos, la potencia entregada por el transformador es de 125 kvas en promedio. Gráfica 1.4 Potencia kva antes y después filtro 200 kvar 3
Los Drives de DC debido a que operan en ocasiones a muy baja velocidad, hacen que el factor de potencia se caiga bastante. Este cliente tenía un factor de potencia de 0.4i cuando la maquina esta a su máxima capacidad, demandando un alto contenido de reactivos. En la siguiente gráfica se ve el perfil de demanda de reactivos la cual es muy variante. En estas situaciones la solución tendrá que ser automática. Se ve claramente la aportación de reactivos del filtro de 200 kvar, demandando en ciertos momentos una cantidad mínima de kvar ante CFE. Gráfica 1.5 Potencia kvar antes y después filtro 200 kvar 4
En las siguientes gráficas se muestra el antes y el después de la distorsión armónica total en corriente %THDi. Este valor en ocasiones puede ser confuso ya que con el filtro operando la corriente es mucho menor, manteniendo el %THDi casi igual que sin el filtro. Aquí lo importante es compararlo con el %THDv y la corriente en amperes de la armónica a la cual esta sintonizado el filtro. Gráfica 1.6 Grafica de %THDi antes y después filtro 200 kvar El THDi se puede observar que se mantuvo casi idéntico sin el filtro. Esto es debido que la corriente Irms se vio disminuida 150 Amperes menos que sin el filtro operando. En seguida analizaremos cómo se comporta en amperaje de la armónica predominante. 5
En la siguiente gráfica 1.7, podemos observar que antes de conectar el filtro el Drive de DC generaba 90 Amperes como máximo de A5h (300 hz). Con el filtro se ve que la corriente es desviada un 50% quedando un remanente de 40 Amperes en promedio. Gráfica 1.7 Amperaje de Ah5 (300 hz )antes y después filtro 200 kvar En la siguiente gráfica también se ve la disminución de la 7ma armónica en cierto porcentaje debido a la sintonía del filtro de 4.7. Gráfica 1.8 Amperaje de Ah7 antes y después filtro 200 kvar 6
En el segundo tablero se cuenta con un Drive de 150 hp de DC el cual estaba generando algo de corriente de Ah3 (180 hz). Para que el filtro de 4.7 no elevara esta corriente, se opto por instalar un reactor de rechazo de 3% de impedancia directamente al Drive y un filtro de sintonía de 2.7 en paralelo al tablero para compensar reactivos y evitar una frecuencia de resonancia o incremento de la corriente de de 180 hz. Gráfica 1.9 Amperaje de Ah3 antes y después filtro 200 kvar 7
Como podemos observar en la gráfica anterior, la corriente armónica Ah3 se ve disminuida y no entra en resonancia con el filtro de 200 kvar. En la siguiente gráfica se muestra el espectro armónico en corriente. Esta grafica al igual que las anteriores cambia cada segundo; es importante mostrarla cuando se presenta la corriente armónica mas critica. Podemos ver que disminuye un poco el THD de 300 hz pero no en la magnitud deseada ya que la corriente Irms disminuye bastante. Gráfica 1.5 Espectro Normalizado en corriente antes y después del filtro de 200 kvar. 8
Una de las gráficas más importantes es la distorsión en Voltaje %THDv. Antes del filtro esta distorsión estaba fuera del estándar IEEE-519-1992. Con el filtro operando la distorsión bajo de 6.5% a 2.25% como máximo. Gráfica 1.6 Distorsión en Voltaje THDv% Adicional a los filtros de armónicas y reactor de línea, se instalo un supresor de picos para eliminar los transitorios o picos de voltaje que presentaba la forma de onda de voltaje. 9
Una de las gráficas más importantes es la distorsión en Voltaje %THDv. Antes del filtro esta distorsión estaba fuera del estándar IEEE-519-1992. Con el filtro operando la distorsión bajo de 6.5% a 2.25% como máximo. Gráfica 1.6 Distorsión en Voltaje THDv% Adicional a los filtros de armónicas y reactor de línea, se instalo un supresor de picos para eliminar los transitorios o picos de voltaje que presentaba la forma de onda de voltaje. 10
Gráfica 1.6 Transitorios eléctricos de voltaje Transitorios Eléctricos de voltaje. Transitorios eléctricos eliminados. 11
De acuerdo a las gráficas anteriores podemos concluir que un filtro sintonizado de 4.7 tiene un porcentaje de filtrado del 50% a la corriente de sintonía aproximadamente. Los beneficios del filtro en este sistema son los siguientes: Arreglo Forma de Onda Voltaje Forma de Onda Corriente %THDi Máximo Potencia Maxima ( kva ) 5ta Armónica %THDv Máximo SIN Filtro Distorsionada con Notches pronunciados Distorsionada con transitorios de corriene continuos 40% 270 90 Amps 6.5% CON Filtro Senoidal con Notches minimos Mas senoidal sin transitorios detectados 30% 125 45 Amps 2.25% Tabla TR1 Resumen Aplicación de Filtro Pasivo Sintonizado en 480V 200 kvar 12
A continuación se presenta el unifilar de cómo quedo la solución con esta empresa. Ingeniería Eléctrica pkotkoff@kotkoff.com www.kotkoff.com Ing. Pablo Isaac Kotkoff M.C. Dierctor Tel. +52 (646) 174 2141 Cel. +52 (646) 190 6411 Nex. 152*131300*4 En tiempos de cambio, quienes esten abiertos al aprendizaje se adueñaran del futuro, mientras que aquellos que creen saberlo todo estarán bien equipados para un mundo que ya no existe. -Eric Hoffer 13