ahorro de energia

Ahorro de energía y mejora de la calidad de energía corrigiendo el factor de potencia total

Carlos Felipe Salcedo

R

Energy

Efficiency

Schneider Electric 65- Ahorro de Energía – Mayo 2009


●Conceptos básicos

●Subtensión

momentánea

●Armónicos

●IEEE 519

●Casos de aplicación


Conceptos Básicos

●Problemas de Calidad de Potencia :

●Fluctuaciones de Voltaje

●Interrupción permanente

●Variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje

●Armónicos

●Transientes


Conceptos Básicos

●Fluctuaciones de Voltaje:

●Una serie de cambios de voltaje aleatorios -

10% a +10%, provocados por rápidas variaciones en la magnitud de la corriente de carga (Flicker)

●Interrupcion Permanente:

●Cuando el voltaje de suministro ha estado en cero por un periodo

de tiempo superior a 1 minuto


Fluctuaciones de Tensión


Conceptos Básicos

●Variaciones momentáneas de bajo y alto voltaje (SAGS and

SWELLS).

●

Causadas por condiciones de falla, energización de motores o grandes cargas, que requieren altas corrientes de carga. Dependiendo de la localización de la falla y de las condiciones del sistema, la falla puede causar :

●SAG = Caída de voltaje temporal (-90%; 8.3 ms

a 1min)

●SWELL = Aumento de voltaje (+110%; 8.3 ms

a 1 min)

● INTERRUPCION = Completa pérdida de voltaje.


Causes of Voltage Swells

What was THAT???


Causes of Voltage Sags

StormStorm



●Subtensión

momentánea

●Armónicos

●IEEE 519



Conceptos Básicos

●Los SAG de Tensión y las INTERRUPCIONES: Son perturbaciones de CALIDAD DE POTENCIA costosas y difíciles de distinguir

●SAG: Breve disminución de la tensión efectiva

●Los SAGS normalmente afectan sólo a una o a dos fases del circuito

●Las INTERRUPCIONES afectan las tres Fases simultáneamente

●Precaución : Alimentar control del equipo de medida desde una UPS.


Causas de los SAG de Tensión

●

Fallas en el sistema de distribución

●

Alumbrado

●

Contacto de Animales

●

Vegetación

●

Falla en equipos

●

Interna

●

Arranque de motores

●

Cargas cíclicas


INTERRUPCIÓN

SAG

Voltage Sag Due to Utility Fault (10-20-93)(12:49:38)

0 50 100 150 200-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Time (mS)

Voltage (V)


Conceptos Básicos●Transientes:

●

Estos se presentan en forma de impulsos de voltaje de muy corta duración, superpuestos en la señal de alimentación y frecuentemente intermitentes con una duración menor a dos mseg, principalmente son provocados por :

●

Descargas atmosféricas●

Maniobras de interruptores●

Operación Bancos de Condensadores●

Operación ascensores.●

Aires acondicionados●

Refrigeradores

●

Su nivel puede ser mayor a cinco veces el voltaje nominal, provocando:

●

Esfuerzos excesivos al aislamiento de diversos equipos.●

Daños a componentes electrónicos sensibles.


Conceptos Básicos : TRANSIENTES

●Por que son importantes estos datos ?

●Los transientes tienen un efecto acumulativo sobre el equipo electrónico más sensible disminuyendo rápidamente su vida util.

Los transientes se catalogan por su Magnitud y

Duración



●Subtensión

momentánea

●Armónicos

●IEEE 519



Conceptos Básicos

ARMONICOS : Provocados por Cargas no lineales . Son señales de corrientes y/o voltajes que existen en un sistema eléctrico, que tienen unas frecuencias que son múltiplos de la frecuencia fundamental. Su efecto es la deformación de la onda senosoidal.

Corriente Senosoidal Corriente Distorsionada


Origen de los armónicos●Las ondas de tensión e intensidad a 60 Hz están formadas por:

●Una senoidal

pura a frecuencia de red (60 Hz).

●Diferentes senoides de frecuencia n veces la frecuencia de red (60 Hz) : los armónicos.

●Los armónicos existen como consecuencia de la existencia de cargas no lineales.

●Las cargas son una impedancia que varía.

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

=

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

+

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

y (t) h1 (t) h3 (t)

y h h 1t t t( ) ( ) ( )3


Cargas lineales y no lineales

●Carga Lineal:●Aquella que absorbe una intensidad de idéntica forma que la U senoidal

de red

●Ej

: resistencias, cargas inductivas en régimen permanente (motores, transformadores ...) .

●Carga no lineal o deformante :●Aquella que devuelve la onda de intensidad distorsionada.

●Ej: Arrancadores, variadores de velocidad, UPS...

U

I

U

I


Rango y espectro de armónicos

●Rango :

●El rango es el valor entero que determina la frecuencia del armónico.

●Ejemplo : armónico de rango 5, frecuencia= 5*60 =300 Hz ( F fundamental 60 Hz)

●Espectro:

●El espectro de una señal es el gráfico que representa las amplitudes de los armónicos en función de su frecuencia.

Espectro armónico en % de la fundamental

0

50

100


Conceptos Básicos: THD●FACTOR THD

●La desviación que se tenga de la forma de onda con respecto a una del tipo perfectamente senosoidal

se suele expresar en términos de porcentajes de distorsión armónica tanto para el voltaje como para la corriente.

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Harmonic

%-F

und. THD = 98%


Conceptos Básicos: THD

●El THD Provoca:

●Saturación de transformadores -

calentamiento

●Generación de interferencias telefónicas

●Fallas en capacitores

de potencia

●Disparos intempestivos de relés

●Mala operación de máquinas-herramientas con controles electrónicos.

●Calentamiento conductores y pérdida de aislamiento.

●Mal funcionamiento de medidores del tipo inductivo


Fuentes

●

Variadores de frecuencia

●

Convertidores DC

●

Cargadores de baterías

●

Rectificadores

●

Saturación de transformadores

●

Hornos y soldadores de arco

●

Alumbrado fluorescente no compensado y con alto THD.

●

UPS´s

●

Todo equipo electrónico


Conceptos Básicos

Factor de Potencia : representa el grado de desfase entre la tensión y la intensidad aplicadas a una carga

-

Factor de potencia Total ( PF )

-

Desplazamiento del Factor de Potencia ( dFP

)

Potencia Armónica : Un valor negativo indica flujo de armónicos desde la carga ( Variadores ), un valor positivo indica un flujo hacia la carga ( Condensadores )


Conceptos Básicos

Factor K : define la capacidad de un transformador para alimentar cargas no lineales sin exceder sus limites de temperatura

K = sum ( Ih ) h

IRMS

2 2

2


Conceptos Básicos

●Factor Armónico ( HF ):

Factor de Potencia Total ( FP ) dividido entre el Desplazamiento del Factor de Potencia (dFP) .

●Si no hay presencia de armónicos, este valor será

1. Si la tensión y la intensidad se hacen más distorsionadas, el factor armónico disminuirá.


Origen de los armónicos : Equipos de Oficina

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Harmonic

%-F

und.

●Características●Fuente de alimentación conmutada

●TDD = 70% to 90%

●dpf

= 1

●Problemas●Sobrecarga del neutro

●Calentamiento del transformador


Origen de los armónicos : Variadores de Velocidad DC●Características

●Etapa de rectificación

●THD <=30%

●Pobre dFP

a baja velocidad

●Distorsión del Voltaje, especialmente caídas de voltaje

●Sobrecarga del Transformador


Origen de los armónicos : Variadores de Velocidad AC

•PWM

•PWM’s

operan con rectificadores no controlados.

•TDD puede ser mayor al 100%

•Pobre FP y dPF

= 1

•Problemas de Calidad de Potencia

Suceptible

a los Transientes provocados por el suicheo

de capacitores


●Ventajas: ●

Eliminación del 5th y 7th Armónicos●

El 11th y 13th son los predominantes●Desventajas: Costos y construcción del trafo


Desequilibrio de tensión●Los Circuit

Monitor calculan el desequilibrio de cada fase usando la siguiente formula:

●El desequilibrio de tensión produce calentamiento en los motores.

●Cuando las tensiones están desequilibradas, una elevada intensidad negativa fluye en los devanados del estator del motor. El flujo resultante gira en sentido contrario al rotor, induciendo una tensión que produce una intensidad de 120Hz.

Vuvm =VMEDIO

V - VMEDIO


RESONANCIA SERIERESONANCIA SERIE

VV

RR LL

CCI >>> I >>>

CORRIENTES GRANDES

RESONANCIA PARALELORESONANCIA PARALELO

II LL CC

V >>> V >>>

SOBREVOLTAJES



●Subtensión

momentánea

●Armónicos

●IEEE 519



IEEE 519 -

Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.

Esta Recomendación o guía, surgió

como una necesidad de unificar una serie de criterios para el manejo de las cargas de tipo no lineal y los problemas que éstas ocasionaban a los equipos de la misma planta y en otras que estén conectadas a la misma barra.

La IEEE 519 es una guía con una serie de recomendaciones prácticas para el diseñador y el analista en el control de armónicos.


Este estándar aplica en dos direcciones :

Desde el punto de vista de la empresa de servicios de electricidad y desde el punto de vista del usuario individual. En este sentido el propósito de la norma es limitar los niveles de armónicos de acuerdo a dos criterios básicos :

Establecer una limitación en la cantidad de armónicos de corriente que el usuario individual puede inyectar a la red en el punto de acople común con la red de servicio público.

Establecer una limitación en el nivel de contenido de armónico del voltaje suministrado por la empresa prestadora del servicio de electricidad en el punto de acople común.

IEEE 519 -

Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.


Limites de distorsión de corriente en sistemas de distribución (Desde 120 V Hasta 69000 V)

Isc / IL <11 11 <= h < 17 17<=h < 23 23 <= h < 35 35 <= h TDDI

< 20* 4 2 1.5 0.6 0.3 520 < 50 7 3.5 2.5 1 0.5 8

50 < 100 10 4.5 4 1.6 0.7 12100 < 1000 12 5.5 5 2 1 15

> 1000 15 7 6 2.5 1.4 20

ARMONICOS PARES SON LIMITADOS AL 25 % DE LOS LIMITES PERMITIDOS PARA LOS IMPARES

Isc : Máxima Icc en el PCC IL : Máxima corriente de carga ( Componente Fundamental ) en el punto PCC

* TODOS LOS EQUIPOS DE GENERACION ESTAN LIMITADOS A ESTOS VALORES DE DISTORSION INDEPENDIENTEMENTE DEL FACTOR Isc / IL.

MAXIMA DISTORSION ARMONICA de CORRIENTE en % de I de carga

ARMONICOS IMPARES


Cálculo e Interpretación del TDDI

TDDI = I60 Hz * THDI

Imáx

0 10 2 0 30 4 0 50 60 70 80 90 100

Porcentaje de tiempo

18

16

13

11

7

5

TD

DI e

n %


Resumen


Bancos Automáticos diseñados para filtrar

armónicas.

Las cargas que generan armónicos son > 15 % de la carga total ?

Eliminar armónicas

Los Kvar

necesarios son > 15 % de los kVA

del Trafo?

Mejorar Factor de Potencia

Hay cargas que generan armónicos ?

Las cargas que generan armónicos son > 50 % de la carga total ?

Bancos fijos Bancos AutomáticosBancos Automáticos

Antirrresonantes

Cual es el problema en la Red Eléctrica?

Si

Si

No

Si

No

No

No

Si


Que necesito para diseñar el filtro ?

●Diagrama unifilar del circuito mostrando la naturaleza de las cargas (Ejm. 150 Hp FVNR , 200 Hp VFD, etc.)

●Capacidad del Transformador en kVA, %Z, Grupo de conexión

● Corriente de Cortocircuito en el punto de conexión

●Tensión primaria , Tensión secundaria

●Localización del equipo de medida

●Tamaño y ubicación de bancos de condensadores

●Ubicación y características de las cargas lineales y no lineales.

●Determinar factor Icc

/ Icarga

●Determinar el THD de Voltaje ( EE) y de Corriente (Usuario)

●Información de Armónicos pares e impares



●Subtensión

momentánea

●Armónicos

●IEEE 519



Resultados típicos en sistemas industriales

THD Tensión < 5%

•Equipos tradicionales tienden a operar sin mayores problemas.

•Calentamiento adicional en Motores y Transformadores.

•Equipamiento electrónico muy sensible puede verse afectado.


Resultados típicos en sistemas industrialesTHD Tensión 5 ... 10%

•Apreciable aumento de temperatura en maquinaria rotante y transformadores.

•Problemas con equipos electrónicos sensibles, comunicaciones, interferencias.

•Sensibilidad reducida en protecciones.

•Mayor potencial de resonancia en el sistema.


Resultados típicos en sistemas industriales

THD Tensión > 10%

•Excesivo calentamiento en transformadores y máquinas rotantes, se dañarán si el problema persiste.

•Falla de equipos electrónicos sensibles.

•Protecciones que actúan prematuramente ó

no actúan.

•Alto potencial de parada.


La misma carga No lineal produce distintos niveles de THD, dependiendo de la impedancia de la fuente

Cargas alineales idénticas

10A40% THD

10A40% THD

Transformador100kVA Z=4%

Transformador10kVA Z=4%

10% THD Tensión EXCESIVO

2% THD Tensión ACEPTABLE

Transformador pequeño:representa alta Z

Transformador grande:representa baja Z


Fuentes

●

Variadores de frecuencia

●

Convertidores DC

●

Cargadores de baterías

●

Rectificadores

●

Saturación de transformadores

●

Hornos y soldadores de arco

●

Alumbrado fluorescente no compensado y con alto THD

●

UPS´s

●

Todo equipo electrónico


Efecto de los armónicos de Secuencia Positiva o Negativa

GCarga

No LinealUPS

100 Kvafp=0.860 Hz

60 Hz + 300 Hz -420 Hz +

G

G

420 Hz +

300 Hz -

“El Generador tiene que alimentar :100 KVA 60 Hz + Potencia Armónica”

El Quinto armónico afecta principal-

mente a los condensadores

El Quinto y el Séptimo armónico afectan a las máquinas giratorias

Xc

= 1 2 n f C


Efecto de los armónicos de secuencia Cero

Si el circuito es balanceado, y la carga es lineal In = 0

In = 0

CA

RG

A L

I NE

AL

CA

RG

A N

O

LIN

EA

L

In <> 0

Con cargas No Lineales In < = 2 * Icarga

R

ST


Que acciones debemos tomar ?

●Instalar Neutro Doble : El Neutro no se quema por secuencia Cero

●Instalar Transformador Delta –

Estrella

●Utilizar Transformador Tipo K

●Utilizar UPS con tecnología IGBT


Circuito Monofásico :2 Pulsos

n +1 , n-1

THD 3 %

Circuito Trifásico :6 Pulsos

Armónicos 11, 13THD 15 %

Armónicos 5, 7THD 30 %

Armónicos 1 , 3THD 130 %

Circuito Trifásico : 12 Pulsos Circuito con IGBT 6 y 20 kHz


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