arm ónicos: efectos, diagnostico y soluciones - upc universitat politècnica de … ·...
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JCEE’09
ArmArm óónicos:nicos:Efectos, diagnostico y solucionesEfectos, diagnostico y soluciones
Francesc Fornieles
Costes de una instalación
Costes TécnicosCostes
Técnicos
Costes Económicos
Costes Económicos
Costes Ecológicos
Costes Ecológicos
VisiblesVisibles
Ocultos:�Energéticos�Instalaciones�Procesos productivos
Ocultos:�Energéticos�Instalaciones�Procesos productivos
Energía no necesariaEnergía no necesaria
Ampliación de instalacionesAmpliación de instalaciones
Costes no necesariosCostes no necesarios
Conceptos factura Conceptos factura
CO2 generado por demanda excesivaCO2 generado por demanda excesiva
Energías fósiles 1Mwh = 1 tCO2Energías fósiles 1Mwh = 1 tCO2
Energías mixtas 1Mwh = 0,6 tCO2Energías mixtas 1Mwh = 0,6 tCO2
Sobrecarga deinstalacionesSobrecarga deinstalaciones
Falta de capacidad en transformadores y líneasFalta de capacidad en transformadores y líneas
Niveles de pérdidas elevadosNiveles de pérdidas elevados
Factores de los costes en instalación
Energía Activa
Energía Reactiva
Energía Distorsión
Transitorios Interferencias
Trabajo Útil
Perdidas
Energía Fluctuante Recargo
Problemas EMC
Paros no deseados
Energía Consumida CCCC
OOOO
SSSS
TTTT
EEEE
SSSS
Medida
Planificación, supervisión y
Corrección
Compensación Reactiva
Reducción Perdidas
Filtrado de Armónicos
Optimización Consumo
Mejor Aprovechamiento
energético
AAAA
HHHH
OOOO
RRRR
RRRR
OOOO
Índice
Panorama eléctrico
Qué son los armónicos?
Efectos de los armónicos
Estudio de una instalación
Soluciones
Panorama EléctricoEl 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.
Estos dispositivos están equipados con rectificadores, moduladores, en definitiva una electrónica que distorsionan la forma de onda de la corriente.
Calidad de Calidad de VidaVida
PoluciPoluci óónn
ElElééctricactrica
Onda Ideal
-150,00
-100,00
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8 1
1,2
1,4
1,6
1,8 2
2,2
2,4
2,6
2,8 3
3,2
3,4
3,6
Onda Distorsionada
-300,00
-200,00
-100,00
0,00
100,00
200,00
300,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8 1
1,2
1,4
1,6
1,8 2
2,2
2,4
2,6
2,8 3
3,2
3,4
3,6
� Carga lineal:
Intensidad absorbida es con forma de onda senoidal .
� Ej.: resistencias, cargas inductivas en régimen permanente y no saturadas. (motores, transformadores...).
� Carga no lineal o deformante:
Intensidad absorbida es con forma de onda no senoidal. Existencia de armónicos.
� Ej.: Arrancadores, variadores de velocidad...
Tipo de cargas
U
I
ϕ
U
I
¿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 .
-60,00
-40,00
-20,00
0,00
20,00
40,00
60,000
0,2
0,4
0,6
0,8 1
1,2
1,4
1,6
1,8 2
2,2
2,4
2,6
2,8 3
3,2
3,4
3,6
-30,00
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
30,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8 1
1,2
1,4
1,6
1,8 2
2,2
2,4
2,6
2,8 3
3,2
3,4
3,6
-250,00
-200,00
-150,00
-100,00
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8 1
1,2
1,4
1,6
1,8 2
2,2
2,4
2,6
2,8 3
3,2
3,4
3,6
+ +
=
Fundamental Armónicos
-200,00
-150,00
-100,00
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8 1
1,2
1,4
1,6
1,8 2
2,2
2,4
2,6
2,8 3
3,2
3,4
3,6
Descomposición Armónica
Comportamiento de los armónicos
Secuencia
35030025020015010050Frecuencia
765432Fund.Orden
L1
L3
L2
Secuencia Directa
Secuencia Inversa
Secuencia Homopolar
n=1+3k n=2+3k n=3+3k
¿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 2º orden, podemos escribir que:
Sabiendo que � ( ) ( )tt II ωπω −=+
Queda demostrado que I2 es nulo, ya que es la única forma de cumplir la expresión anterior.
Conceptos básicos
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:
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.
Conceptos básicos
Evaluación de las medidas
• Valor eficaz/RMS:
• Distorsión individual:
• Tasa de distorsión armónica:
100II(%)I
1
nn ⋅= 100
VV(%)V
1
nn ⋅=
(A)IIn
1
2nRMS ∑= (V)VV
n
1
2nRMS ∑=
100(%)�1
40
2
2
⋅=
∑
I
ITHDI
n100(%)
1
40
2
2
⋅=
∑
V
VTHDV
n
Ejemplo de medidas fundamentalesEjemplo de medidas fundamentales
• Valor Eficaz:
•Distorsión Individual:
•Tasa de Distorsión Armónica:
20%100(%)I3 =⋅=6513
AIRMS 95,82231391365 22222 =++++=
I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A
60%100(%)I5 =⋅=6539
%4100(%)I7 70,76531 =⋅= %100(%)I9 08,3
652 =⋅=
%27,7910065
2313913%
2222
=⋅+++=THDI
-200,00
-150,00
-100,00
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 3 5 7 9 11 13 15 17
ESPECTROESPECTRO
FORMA FORMA DE DE ONDAONDA
Ejemplo de medidas fundamentalesEjemplo de medidas fundamentales
• Valor Eficaz:
•Distorsión Individual:
•Tasa de Distorsión Armónica:
20%100(%)I3 =⋅=6513
AIRMS 95,82231391365 22222 =++++=
I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A
60%100(%)I5 =⋅=6539
%4100(%)I7 70,76531 =⋅= %100(%)I9 08,3
652 =⋅=
%27,7910065
2313913%
2222
=⋅+++=THDI
Efecto de los armónicosELEMENTO PROBLEMA EFECTO
Conductor• Aumento de la corriente• Aumento de perdidas térmicas (efecto
Joule)�
• Calentamiento cables (deterioro)�• Disparo de protecciones
Conductor de Neutro• Circulación armónicos múltiplos de 3• Retorno por el conductor de neutro
• Sobreintensidad por el neutro• Calentamiento del neutro• Degradación prematura• Disparo de protecciones
Condensador• Resonancia paralelo con el sistema• Amplificación de los armónicos
• Calentamiento condensadores• Envejecimiento prematuro de
condensadores• Destrucción de condensadores
Maquinas Eléctricas• Circulación de corrientes armonicas por
los devanados y tensiones armónicas en bornes
• 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)�
Equipos de Medida y Control
• Medidas no válidas• Errores en procesos de control
• Valores de magnitudes incorrectas• Interferencias con sistemas de
comunicación y control• Error en los instantes de disparo de
tiristores
Efecto de los armónicos• Conductores
� Aumento de la Irms:
22
3
2
2
2
1...
nIIII ++++=RMSI
� Efecto “Skin”
� R aumenta con la frecuencia
AreaConductora
Efecto• Disparo intespentivo de las protecciones.
• Sobrecalentamiento de los cables.
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.
Efecto de los armónicos
~=
~=
TransformadorMT/BT
generadores de armónicos (Gh)
Iarmónicas
M
MT
• 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:
LC2π
1fr =
ffr Q
Sccn·=
• Transformadores� Incremento de perdidas por efecto Joule.
2RMSCu R·IP =
IRMS PCu
� Incremento de perdidas en el Hierro
·f·BkP
·f·BkP
PPP
22Histeresis
221Focault
HisteresisFocaultFe
=
=
+=2.a
Cu2
Fe ·PCPC·S·cosC·S·cos
++=
ϕϕη
B
H
Dentro de la zona Dentro de la zona son perdidasson perdidas
Efecto de los armónicos
Efecto• Sobrecalentamiento en los devanados.
• Aumento perdidas magnéticas.
• Rendimiento del transformador.
• Transformadores
Efecto de los armónicos
K K –– Factor Factor (EEUU)(EEUU)
Factor Factor Factor Factor Factor Factor Factor Factor –––––––– K K K K K K K K (UE)(UE)(UE)(UE)(UE)(UE)(UE)(UE)
Transformadores Comerciales
Desclasificacion del transformador
S = 1000 kVA ; Factor K = 1,27
S’ = S/K = 1000/1,27 = 787,4 kVA
• Motores� Incremento de perdidas por efecto Joule.
� Incremento de perdidas magnéticas.�Eficiencia del motor.
Giro Motor
Armonico 3k+1Armonico 3k-1
1 2 3 4 5 6+ - o + - o
SECUENCIA
Efecto de los armónicos
Efecto• Sobrecalentamiento en los devanados.
• Aumento perdidas magnéticas.
• Rendimiento del motor.
• Reducción del par.
• Vibraciones, oscilaciones.
• Factor de potencia
ActivaNo Potencia ActivaPotencia
ActivaPotencia
S
PPF
+==
Efecto de los armónicos
CAUSAS DE F.P.<1
� Desfase entre tensión y corriente: PotenciaReactiva.� Presencia de perturbaciones armónicas� Desequilibrio de consumos entre fases
• Factor de potencia� Sin armonicos:
2Q
2P
P
S
PC
+==ϕos
� Con armonicos:
2D
2Q
2P
P
S
PPF
++==
Efecto de los armónicos
ϕ Q
D
γ S1
ST
P
SQ'
P
Cos ϕϕϕϕ
Cos ϕ = PF
• Factor de Potencia (Ejemplo):P = 400 kW ; Q = 192 Kvar ; THDI% = 48%
90,0192400
400
22=
+==
S
PC ϕos 900
4801
1
1
1
22
,
,THDI
PFDist
=+
=+
=
81,09,09,0cos =×=×= DistPFPF ϕ
Efecto de los armónicos
Estudio de una instalaciónDetección 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
Supervisión y control de la instalación
Seguimiento
Datos para pre-estudio armónico
Transformador
%Ucc (Tensión de cortocircuito):
VU2 (Tensión Nominal):
kVASn (Potencia Transformador):
Transformador
RED PCC
MEDICIONES ENCUADROS SECUNDARIOS
CON CARGASMONOFÁSICASFASE - NEUTRO
MEDICIONESEN CARGAS CONDISTORSIÓN
MEDICIONESEN LA(S) BATERIAS
MEDICIONESEN CARGAS SINDISTORSIÓN
MM
1
2
4 5
4 HILOS
L1 L2 L3 N
3 6
MEDICIONES EN CUADRO GENERAL BT
CON BATERIA
SIN BATERIA
Información Previa
Puntos de medida: 1,2,3,4,5,6 …..
In(A) �
THD (I)�
THD (V)�
∑ THD13117531Nº ARMONICOS
Si existe batería de armónicos
Baterias decondensadores
kWP(Instalación) �
kvarQ(batería) �
%THD(U)�%THD(U)�
%THD(I)�%THD(I)�
CON BATERIA DESCONECTADA
CON BATERIA CONECTADO
Datos para pre-estudio armónico
Información Previa
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.
SolucionesEstructura de la instalación:
Estrategias de Filtrado
Ubicación Efectos
Cuadro General � 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
Cuadros Secundarios
� Reducir la corriente eficaz en el punto donde se genera.� Reducción de las perdidas en todo el sistema
Filtrado Individual
p = 7%
Frecuencia de resonancia 189Hz LC2π
1f r =
Eliminación riesgo de resonancia, batería con filtros modelo FR.
Soluciones: FR
h>3º, f > 150Hz134 Hz14%
h>5º, f > 250Hz189 Hz7%
Armónico rechazadowrp%2
100(%)
⋅=r
p ωω
� Se conecta de forma individual , aguas arriba del convertidor, justo delante de él y en serie.
¿¿CCóómo se conecta?mo se conecta?
¿¿QuQuéé debemos saber de la instalacidebemos saber de la instalaci óón para poder ofertar n para poder ofertar un LCL?un LCL?
� Tensión de trabajo de la red� Frecuencia de la red� Corriente consumida por el equipo
M3
REACTANCIADE LA RED
CONVERTIDOR
L1 L2
L3
C
Soluciones: LCL
Soluciones: LCL
Corriente de línea sin filtro, THD(I)=32%; THD(V)=4 ,4% Corriente de línea con filtro, THD(I)=8%; THD(V)=1, 4%
CON FILTRO, 70% DE CARGASIN FILTRO
Soluciones: LCL
Corriente de línea sin filtro Irms= 352 ATHD(I)=25,3%; THD(V)=21,9%
Corriente de línea con filtro Irms=250 ATHD(I)=18,7%; THD(V)=3,1%
CON FILTRO, 80% DE CARGASIN FILTRO
En valor absoluto:
• 29% menos corriente eficaz.
• 50% menos perdidas por efecto Joule.
• 44% menos de corriente distorsionante que se vierte a la red por esta maquina.
Monofásico2 hilos
Trifásico 4 hilos
Trifásico de 3 hilos
Filtros activos AFCompensador activo
MULTIFUNCIÓN
NETACTIVE
Trifásico 4 hilos
APF-4W AF-3WAF-2W AF-4W
�Filtrado de armónicos�Equilibrado de fases�Compensación energía reactiva
Filtrado de armónicos con ó sin
compensación de reactivaFiltrado de armónicos
Soluciones: Filtros Activos
Soluciones: Filtros ActivosLa compensación de armónicos esta basado en la inyección de una corriente en contra fase, que cancela los armónicos generados por la carga.
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 carga s monofásicas y trifásicas generadoras de armónicos:
� SAI� Luminarias � Aparatos elevadores � Aires acondicionados.
Soluciones: Filtros Activos
ConclusionesSobre la eficiencia…..
� La eficiencia energética es la optimización del consumo eléctrico + calidad de la onda + calidad de suminist ro
� 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