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ESTUDIO DE DISTORSIÓN ARMÓNICA Y FACTOR DE POTENCIA EN LA RED DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA DE UNA MÁQUINA PAPELERA

JORGE WILLIAM PARRA BETANCUR HUMBERTO RAFAEL TORO BOLÍVAR

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

SANTIAGO DE CALI 2009

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ESTUDIO DE DISTORSIÓN ARMÓNICA Y FACTOR DE POTENCIA EN LA RED DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA DE UNA MÁQUINA PAPELERA

JORGE WILLIAM PARRA BETANCUR HUMBERTO RAFAEL TORO BOLÍVAR

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electricista

Director LUIS EDUARDO ARAGÓN RANGEL

I.E., M.Sc.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

SANTIAGO DE CALI 2009

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al Título de Ingeniero electricista.

Jurado

Jurado

Santiago de Cali, 16 de Junio de2009

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CONTENIDO

Pág. RESUMEN 17 INTRODUCCIÓN 19 1. LA MÁQUINA PAPELERA 21 1.1 HISTORIA RELATIVA A CAMBIOS EN EL SISTEMA ELÉCT RICO 22 1.2 DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA FABRICACIÓN DE SACOS 23 1.3 DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA FABRICACIÓN DE CORRUGA DO MEDIO Y LINER 24 1.4 CICLO DE BATIDORES 25 1.4.1 Espesadores 25 1.4.2 Hidrapulper 25 1.4.3 Tanques de pulpa 26 1.4.4 Prensa Andritz 27 1.4.5 Refinamiento 27 1.4.6 Refinamiento de alta consistencia (HCR) 29 1.4.7 Sistema de limpieza Bauer 29 1.4.8 Save all 30 1.5 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA MÁQUINA 31 1.5.1 Cedazos 32 1.5.2 Headbox 32 1.5.3 Mesa formadora 33 1.5.4 Sistema de vacío 33

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1.5.5 Prensas 34 1.5.6 Prensa Zapata 34 1.6 ÁREA DE SECADO 35 1.6.1 Hood 35 1.6.2 V.A System 35 1.6.3 Condensado 36 1.6.4 Clupak 36 1.6.5 Reatas 37 1.6.6 Calan 37 1.6.7 Pope Reel 38 1.6.8 Terminado 38 2. ANÁLISIS DE ARMÓNICOS 39 2.1 OBJETIVOS DE UN ESTUDIO DE ARMÓNICOS 39 2.2 PERTURBACIONES ARMÓNICAS 40 2.3 CUÁNDO ES NECESARIO UN ESTUDIO DE ARMÓNICOS 40 2.4 TEORÍA GENERAL 41 2.4.1 Definición de armónicos 41 2.5 CIRCUITOS RESONANTES 42 2.5.1 Resonancia paralelo 43 2.5.2 Resonancia Serie 44 2.6 FUNDAMENTACIÓN MATEMÁTICA 45 2.7 INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE ARMÓNICOS 47

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2.8 ANÁLISIS DE MEDIDAS PARA LA ELIMINACIÓN DE ARMÓNICOS 49 2.9 SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DEL FILTRO 49 2.10 CAMBIOS DE NIVELES DE TENSIÓN 52 2.11 MODELOS DE FLUJOS DE ARMÓNICOS 53 2.12 CARGAS LINEALES Y NO LINEALES 54 2.13 MEDIDAS DE LA DISTORSIÓN EN TENSIÓN Y CORRIENT E 56 2.13.1 Valor eficaz (rms). 56 2.13.2 Distorsión armónica total (THD 56 2.13.3 Distorsión de demanda total 57 2.14 FUENTES QUE PRODUCEN ARMÓNICOS 57 2.15 CONTROL DE ARMÓNICOS 58 2.15.1 Técnicas pasivas 58 2.15.2 Técnicas activas 59 2.16 PRÁCTICAS RECOMENDADAS 59 2.16.1 Prácticas recomendadas para usuarios individu ales 59 2.16.2 Prácticas recomendadas para empresas 61 2.17 FACTOR K 62 2.18 TRANSFORMADORES DE FACTOR K 62 3. ANÁLISIS DEL FACTOR DE POTENCIA 64 3.1 DEFINICIÓN DE FACTOR DE POTENCIA 64 3.1.1 Factor de potencia en presencia de armónicos 66 3.2 TIPOS DE CARGAS 66

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3.2.1 Cargas resistivas. 66 3.2.3 Cargas capacitivas. 67 3.3 EL BAJO FACTOR DE POTENCIA 67 3.4 BENEFICIOS POR CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA 68 3.5 COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA 69 3.6 MÉTODOS DE COMPENSACIÓN 69 3.7 BANCOS AUTOMÁTICOS DE CAPACITORES 71 4. NORMAS Y MÉTODOS PARA CONTROLAR EL CONTENIDO DE ARMÓNICOS 73 4.1 NORMA IEEE Std 519-1992 “RECOMMENDED PRACTICES F OR HARMONIC CONTROL IN ELECTRICAL POWER SYSTEMS” 73 4.2 IEEE P519A/D5 “GUIDE FOR APPLYING HARMONIC LIMIT S ON POWER SYSTEMS”. 74 4.3 NORMA ANSI/IEEEC57.110-1986 “RECOMMENDED PRACTIC E FOR ESTABLISHING TRANSFORMER CAPABILITY WHEN SUPPLYING NONSINUSOIDAL LOAD CURRENTS” 75 5. DESCRIPCIÓN FUNCIONAL BÁSICA DEL SISTEMA ELÉCTRI CO DEL MOLINO 4. 77 5.1. DESCRIPCIÓN BÁSICA DEL SISTEMA ELÉCTRICO GENERA L DE LA PLANTA SMURFIT KAPPA CARTÓN DE COLOMBIA 77 5.1.1 Desarrollo de la subestación principal 77 5.1.2 Construcción de la subestación 78 5.2 DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO DEL MOLINO 4 80 5.2.1 Bahía 2A-10 (drives DC del molino 4). 82 5.2.2 Bahía 4B-4 (drive AC del molino 4). 86

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5.2.3 Mantenimiento predictivo (termografía infrarroja) realizado a transformadores e interruptores del molino 4. 93 6. RESULTADOS DE LA MEDICIÓN DE PARÁMETROS ELÉCTRICO S 98 EN EL MOLINO 4 98 6.1 METODOLOGÍA PARA LA MEDICIÓN DE ARMÓNICOS 98 6.2 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS MEDICIONES 103 6.2.1 Factor de potencia. 106 6.2.2 Distorsión armónica total registrada 106 6.2.3 THD en tensión 107 6.2.4 THD en corriente 107 7. CONCLUSIONES 112 8. RECOMENDACIONES 114 BIBLIOGRAFÍA 115 ANEXOS 116

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LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Valores de consistencia 27

Tabla 2. Límites de distorsión armónica de corriente en porcentaje de carga 60

Tabla 3. Límites de distorsión de corriente para sis temas de distribución General (120V a 69000V) 60

Tabla 4. Límites de distorsión de corriente para sis temas de subtransmisión General (69001V a 161000V) 60

Tabla 5. Límites de distorsión y clasificación de si stemas de baja tensión 61

Tabla 6. Límites de distorsión para la tensión 62

Tabla 7. Equipos de 115 kV 78

Tabla 8. Datos técnicos interruptor 2A-10 83

Tabla 9. Datos técnicos transformador T3-18 83

Tabla 10. Interruptor 3000A que alimenta los barraj es DC del molino. 84

Tabla 11. Cargas conectadas al barraje del transform ador T3-18 85

Tabla 12. Datos técnicos interruptor 4B-4 87

Tabla 13. Datos técnicos transformador T3-23 88

Tabla 14. Interruptor 3200A que alimenta los barraj es AC del molino. 88

Tabla 15. Interruptor 3200A y 1600A del barraje de 460V de los drives AC. 89

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Tabla 16. Cargas conectadas a los barrajes de 460V de los drives AC del molino 4 90

Tabla 17. Puntos de medición de parámetros eléctric os 103

Tabla 18. Valores máximo, promedio y mínimo de los P arámetros r.m.s. registrados 104

Tabla 19. Valores máximo, promedio y mínimo de las v ariaciones de tensión 104

Tabla 20. Valores máximo, promedio y mínimo de los d esbalances de tensión y corriente calculados. 105

Tabla 21. Valores máximo, promedio y mínimo de los P arámetros r.m.s. registrados de FP, y las potencias. 106

Tabla 22. Valores máximo, promedio y mínimo de THD en tensión y THD en corriente 107

Tabla 23. Valores máximo, promedio y mínimo de TDD e n corriente calculados 108

Tabla 24 Factor de peso para diferentes tipos de arm ónicos producido por las cargas. Tomada de la Tabla 4.1.1 Norma IEEE 1999 P519A/D6 111

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Fotografía aérea del complejo papelero smurfit kappa cartón de colombia 21

Figura 2. Historia relativa a cambios en el sistem a eléctrico 22

Figura 3. Diagrama de flujo para la producción de s acos 23

Figura 4. Diagrama de flujo para la producción de co rrugado medio 24

Figura 5. Imagen sistema de batidores 25

Figura 6. Imagen superior hidrapulper 26

Figura 7. Imagen parte inferior del hidrapulper 26

Figura 8. Imagen gráfica de una prensa Andritz 27

Figura 9. Imagen área del sistema de prensado y refi nado 28

Figura 10. Imagen de un refinador 29

Figura 11. Gráfico del sistema Save All 30

Figura 12. Esquema de la mesa formadora 31

Figura 13. Imagen de la mesa formadora 31

Figura 14. Diagrama interno de un cedazo. 32

Figura 15. Imágenes de headbox y la mesa formadora 32

Figura 16. Esquema del sistema de vacío y mesa form adora 33

Figura 17. Tren de bombas de vacío 33

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Figura 18. Área de prensas en la máquina 34

Figura 19. Diagramas de una prensa zapata 34

Figura 20. Sección de secadores de la máquina 35

Figura 21. Sección de secadores, Calan y Hood 35

Figura 22. Imágenes diferentes ángulos del V.A. Sys tem 36

Figura 23. Imagen del tanque de condensado sistema de vapor 36

Figura 24. Sección Clupack de la máquina 37

Figura 25. Imágenes del sistema de reatas de la máq uina 37

Figura 26. Salida del Calan 38

Figura 27. Pope reel salida de la sección de secado res y enrolladora 38

Figura 28. Forma de onda original y sus componentes armónicos 1, 5, 7 y 11 41

Figura 29. Componentes armónicas relativas a la orig inal o fundamental. 42

Figura 30. Componentes en el dominio del tiempo y d e la frecuencia 42

Figura 31. Resonancia en paralelo 43

Figura 32. Resonancia serie 45

Figura 33. Filtro sintonizado 50

Figura 34. Impedancia mínima a la frecuencia de un armónico dado. 50

Figura 35. Filtro amortiguado 51

Figura 36. Característica de frecuencia del filtro amortiguado 51

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Figura 37. Carga lineal. La corriente y la tensión siempre son proporcionales a lo largo de la línea de su impedancia. 55

Figura 38. Carga no lineal de una resistencia contr olada por SCR en la que la corriente y la tensión no son proporcionales 55

Figura 39. Diagrama de potencia para un sistema line al 64

Figura 40. Triángulo de potencias para cargas no lin eales. 65

Figura 41. Diagramas fasoriales de tensión y corrien te 67

Figura 42. Factor de potencia VS ángulo 67

Figura 43. Curva de Pérdidas en un conductor VS fact or de potencia 68

Figura 44. Compensación del factor de potencia 69

Figura 45. Diagrama de conexión 70



Figura 48. Procedimiento general para la evaluación de armónicos. Tomado de la Figura 4.1.1 de la guía. 75

Figura 49. Fotografía bahías de transformadores Car tón Colombia. 77

Figura 50. Fotografía interruptor y seccionador (11 5kV), Cartón Colombia 79

Figura 51. Subestación principal barraje 2A y 2B 80

Figura 52. Subestación TMP barraje 4B 81

Figura 53. DPU 2000R e interruptor 2A-10 Drives DC del Molino 81

Figura 54. DPU 2000R e interruptor 4B-4 Drives AC d el Molino. 82

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Figura 55. Datos de placa transformador T3-18. 83

Figura 56. Interruptor 3000A que alimenta los barra jes de drives DC del molino. 84

Figura 57. Drive enrolladora. 85

Figura 58. Interruptor 600A y drive enrolladora. 86

Figura 59. Interruptor 500A drive wire roll 86

Figura 60. Datos de placa transformador T3-23 87

Figura 61. Interruptor 3200A que alimenta los barra jes de drives AC del molino. 88

Figura 62. Interruptor 3200A que alimenta los drive s AC del molino 89

Figura 63. Interruptor 1600A que se encuentra abier to sin carga. 89

Figura 64. Interruptor 1600A de los CCMS 02, 03 (HC R), 11(Prensas). 90

Figura 65. Interruptores de los motores de prensas, secadores, clupak, pope reel. 91

Figura 66. Motores de la transmisión de secadores c onectados al barraje de los drives AC. 91

Figura 67. Motores de la unidad clupak y el pope re el conectados al barraje de los drives AC. 92

Figura 68. Motores conectados al barraje de los dri ves AC. 92

Figura 69. Motor de la Fan Pump N°2 conectados al b arraje de los drives DC. 92

Figura 70. Placa característica de algunos motores sincrónicos del molino. 93

Figura 71. Motores con cargas importantes del molin o. 93

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Figura 72. Termografía efectuada al transformador T3-18. 94

Figura 73. Termografía efectuada a los interruptore s de los drives DC 94

Figura 74. Termografía efectuada a los interruptore s de los drives DC. 95

Figura 75. Termografía efectuada a los interruptore s de los drives AC 95

Figura 76. Banco de capacitores del molino 4. 96

Figura 77. Termografía efectuada al banco de capaci tores del molino 96

Figura 78. Termografía efectuada al transformador T3 -23 97

Figura 78. Equipo de medición de armónicos Dranetz Visa 98

Figura 79. Conexiones físicas del equipo al sistema , lado de baja de los transformadores de corriente 99

Figura 80. Instalación del equipo Dranetz para medi ción de armónicos 100

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LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Resultados gráficos de los parámetros eléctricos registrados 116

Anexo B hoja técnica de datos equipo dranetz visa 125

Anexo C. Diagrama unifilar sistema eléctrico molino 4 (archivo adjunto en la carpeta de ANEXOS)

Anexo D. Gráficas y cálculos realizados en excel (archivo adjunto en la carpeta de ANEXOS)

Anexo E. Cálculo del factor k para los transformador es 127

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RESUMEN

Este trabajo presenta las técnicas de análisis de la distorsión armónica y el factor de potencia en la red de alimentación eléctrica de una máquina papelera (Máquina No 4) en las instalaciones del complejo papelero Smurfit Kappa Cartón de Colombia, en Yumbo. El trabajo partió de analizar los resultados obtenidos de la medición, para efectos de comparación, con los niveles exigidos según la normatividad vigente, principalmente: • Norma Técnica Colombiana Regulación de tensión en estado estacionario a 60Hz y sus variaciones permisibles NTC 1340 • CREG. Control al Factor de Potencia en el Servicio de Energía Eléctrica Artículo 25 Resolución CREG 108-1997 . • Prácticas y recomendaciones para el control de armónicos en sistemas de potencia (Norma IEEE 519-1.992 ). • Contenido de armónicos en transformadores de potencia (Norma ANSI/IEEE C57.110-1.986). • Norma para determinar si los capacitores para la corrección del factor de potencia se encuentran sometidos a sobrecargas. (Norma IEEE std 18-1.992 ). La necesidad de incrementar los niveles de producción en la máquina del Molino 4 obligó hacer diferentes modificaciones en los subprocesos, con los subsecuentes reemplazos de sistemas mecánicos deficientes por sistemas eléctricos mucho más confiables. Entre otros se incrementa el uso de dispositivos electrónicos, los cuales son típicos generadores de contaminación de la red eléctrica. El documento se ha dividido en ocho capítulos. En el capítulo 1 se hace una descripción detallada del proceso de fabricación de cartón (sacos, corrugado medio). Seguidamente el capitulo 2 da la fundamentación teórica necesaria para adelantar el análisis de armónicos. El capítulo 3 recrea los aspectos relevantes para analizar los efectos del factor de potencia en la red eléctrica. Las normas y métodos aplicados para controlar el contenido de armónicos son estudiados en el capítulo 4. Con el ánimo de orientar el estudio en particular en el capítulo 5 se realizó una descripción funcional del sistema eléctrico asociado al Molino 4.

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La metodología para la medición de parámetros eléctricos y los resultados, se presentan en el capítulo 6, junto a los análisis respectivos. Las conclusiones y recomendaciones se presentan en los capítulos 7 y 8 con lo cual se concluye el trabajo presentado. Los anexos ilustran las gráficas de resultados y las características técnicas del equipo utilizado la medición de las variables eléctricas.

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INTRODUCCIÓN En sistemas eléctricos de distribución de potencia, tradicionalmente se espera que la forma de onda de la tensión suministrada por una distribuidora sea sinusoidal y sobre esa base, aún ahora, están diseñados y fabricados la mayoría de elementos del sistema. Así podemos citar equipo de relevación industrial, instrumentación, computación, motores, transformadores, etc., que han sido diseñados para funcionar alimentados por una forma de onda sinusoidal pura. La inclusión dentro de los sistemas eléctricos de un mayor número de elementos no lineales, como los equipos electrónicos y muy especialmente los convertidores, siendo éstos los elementos primarios con conexión a la red de distribución de los equipos electrónicos, han contribuido al incremento de la presencia de formas de onda no sinusoidales en el suministro de la energía eléctrica. La aparición de corrientes y/o tensiones armónicas en el sistema eléctrico crea problemas tales como, el aumento de pérdidas de potencia activa, sobretensiones en los condensadores, errores de medición, mal funcionamiento de protecciones, daño en los aislamientos, deterioro de dieléctricos de los motores y transformadores, disminución de la vida útil de los equipos, entre otros. Los sistemas electrónicos de control, los capacitores y los motores pueden ser perjudicialmente afectados por niveles de distorsión de tensión significantes. Los controles eléctricos son potencialmente las partes más sensibles, ya que muchos controles se basan en una forma de onda senoidal limpia para sincronización o propósitos de control. Los bancos de capacitores son afectados por los picos de la forma de onda. El aislamiento puede ser degradado si la distorsión armónica es excesiva. Los motores y transformadores sufren mayor calentamiento en presencia de armónicos. Las corrientes armónicas son una preocupación en la interferencia de comunicaciones. También causan aumento de pérdidas en líneas y transformadores y pueden causar respuestas incorrectas de relés. Los efectos de interferencia de los armónicos de tensión y corriente en los sistemas de energía y en las cargas conectadas, son generalmente apreciados por los usuarios solo después de la ocurrencia de una salida de servicio y un costoso trabajo de reparación. La magnitud de los costos originados por la operación de sistemas y equipos eléctricos con tensiones y corrientes distorsionadas, puede percibirse considerando lo siguiente:

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1. La sobre elevación de 10ºC en la temperatura del aislamiento en conductores, reduce su vida a la mitad. 2. Un incremento del 10% en la tensión nominal del dieléctrico de un capacitor, reduce su vida útil a la mitad. Estudios realizados sobre los efectos de la distorsión armónica, muestran reducciones de 20% a 30% en la vida de capacitores y de 10% a 20% en la vida de transformadores.

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1. LA MÁQUINA PAPELERA

Con el ánimo de ambientar la aplicación del estudio, se presenta en este capítulo inicial una descripción sucinta del proceso. Figura 1. Fotografía aérea del complejo papelero Smurfit Kappa Cartón de Colombia

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1.1 HISTORIA RELATIVA A CAMBIOS EN EL SISTEMA ELÉCTRICO

A continuación se presenta de manera cronológica la historia del molino,específicamente los aspectos importantes respecto al sistema eléctrico en los últimos 10 años.

Figura 2. Historia relativa a cambios en el sistema eléctrico

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1.2 DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA FABRICACIÓN DE SACOS

Figura 3. Diagrama de flujo para la producción de sacos

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1.3 DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA FABRICACIÓN DE CORRUGADO MEDIO Y LINER Figura 4. Diagrama de flujo para la producción de corrugado medio

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1.4 CICLO DE BATIDORES 1.4.1 Espesadores. Su función es la de espesar la pulpa, aumentando la consistencia desde valores de bombeo de aproximadamente 2,5% hasta 4,5% mediante un proceso de filtración fomentado por vacío. Figura 5. Imagen sistema de batidores

1.4.2 Hidrapulper. Equipo de desfibramiento de material reciclado que promueve la mezcla y distribución de la fibra hidratada por medio de un agitador y un efecto de cizallamiento entre la parte inferior del rotor y una platina. La pulpa pasa a través de una platina de orificios hacia un stand pipe, desde donde es bombeada hacia el tanque de desperdicio. Se procesa papel cuestionado por calidad, reciclaje del proceso, pulpa prensada, pacas y/o pulpa bombeada.

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Figura 6. Imagen superior hidrapulper

Existe un equipo adicional en terminado; y otros similares donde se reciben los refiles y el papel en proceso de paso de cola (couch pit, press pit y sydrapulper) que tienen una configuración de agitador diferente.

Figura 7. Imagen parte inferior del hidrapulper

1.4.3 Tanques de pulpa. Tanques de almacenamiento de pulpa en proceso. Existen 5 de ellos y reciben determinado tipo de fibra o mezcla de ellas dependiendo del grado de papel producido. Cada tanque tiene un acceso por la parte superior y un manhole en el inferior. Se garantizan condiciones de homogeneidad mediante agitación continua en cada tanque y valores de consistencia determinada a través de controles de dilución en el bombeo de la pulpa.

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Tabla 1. valores de consistencia MATERIAL % PINO % SEMIQUIMICA SACOS 100% LINER Entre 80% y 70% Entre 20% y 30% CORRUGADO MEDIO Entre 20% y 30% Entre 80% y 70%

Consistencia: Es el porcentaje en peso de fibra seca en una combinación de fibra y agua o bien el porcentaje del peso de los sólidos en una suspensión respecto del peso total de la muestra. 1.4.4 Prensa Andritz. Equipo usado para aumentar la consistencia de la pulpa pino para el sistema de refinamiento de alta consistencia (HCR) desde aprox. 4% hasta valores cercanos a 30%. Consiste en un tornillo dentro de una cámara dividida en cuatro zonas: alimentación, zona de baja, media y alta presión. A medida que se avanza por las zonas, el espacio entre el eje del tornillo y la cámara se reduce, lo que aumenta la compresión de la pulpa, que a su vez, genera una mayor extracción de agua. Figura 8. Imagen gráfica de una prensa Andritz

1.4.5 Refinamiento. El objetivo básico de estos equipos es la modificación óptima de las características de la fibra, lo cual se logra por su alteración mecánica, que mejora su flexibilidad, capacidad de enlace (fibrilación) e hidratación (absorción de agua en su estructura), permitiendo así crear las condiciones necesarias y requerimientos específicos que deberá de tener el papel que se desea producir.

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� Variables de proceso • Fibras • Consistencia • Flujo • Energía • pH • Intensidad de refinación Figura 9. Imagen área del sistema de prensado y refinado

� La refinación está descrita por 4 parámetros • Número de tratamientos en las fibras • Nivel de compresión en las fibras • Nivel de “desgarre” en las fibras • Número de fibras que sufre la refinación entre los platos: Probabilidad de la interacción fibra-fibra o fibra-barra � Freeness: Es una medida de grado de refinamiento de una pulpa. Se determina midiendo la cantidad de agua en mililitros, que deja pasar una malla estándar de un volumen de un litro de suspensión de pulpa a mayor valor de freeness, mayor es el volumen de agua drenada y menor su grado de refinamiento.

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1.4.6 Refinamiento de alta consistencia (HCR) • Alta consistencia > 18% • Refinamiento fibra-fibra • Alta generación de vapor • Mayor consumo de energía (para obtener el mismo grado CSF de LCR), pero preserva la longitud de las fibras • Menor peso básico para el mismo nivel de resistencia (TEA) • Mejor porosidad y rasgado (para el mismo grado CSF) Figura 10. Imagen de un refinador

1.4.7 Sistema de limpieza Bauer. Sistema de limpieza de la pulpa en tres etapas. Cada etapa consta de una batería de conos que funcionan como un hidrociclón. La pulpa es alimentada tangencialmente en la parte superior del cono. La fuerza centrífuga hace que el material liviano (pulpa) ascienda y salga por el tope del cono como aceptado, mientras que los rechazos (arena, piedra, material extraño, etc.) descienden por el cono hasta una canoa. El rechazo de una etapa es el alimento de la etapa subsiguiente. Los rechazos de la tercera etapa pasan a un tanque sedimentador donde queda depositado el rechazo final del sistema de limpieza.

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1.4.8 Save all. Este sistema recupera principalmente la fibra y los finos provenientes del tanque de agua blanca. El principio básico de operación consiste en fijar a una malla la fibra y los finos mediante una bomba de vacío. El recuperador consiste de 7 discos, cada uno compuesto por 2 segmentos recubiertos con una malla sintética. Estos segmentos se encuentran montados sobre un eje horizontal hueco, el cual se sumerge junto con los discos a una suspensión de pulpa contenida en una tina de acero inoxidable. Figura 11. Gráfico del sistema Save All

El interior del eje está dividido en cámaras que se extienden en dirección radial a lo largo del eje, por estas cámaras fluye agua proveniente de la extracción de la suspensión de pulpa ejercida sobre los discos y se envía a la válvula rotativa ubicada en uno de los extremos del eje.

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1.5 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA MÁQUINA Figura 12. Esquema de la mesa formadora

Figura 13. Imagen de la mesa formadora

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1.5.1 Cedazos. La pulpa entra tangencialmente en la parte superior. Los aceptados corresponden a la fracción del alimento que pasa a través de la malla y salen por la parte media. Los rechazos salen por la parte inferior del cuerpo del cedazo. El rotor es movido por un motor eléctrico con transmisión por bandas. Figura 14. Diagrama interno de un cedazo.

1.5.2 Headbox. El headbox es una caja presurizada. En este caso es de tipo cerrado, con cámara de aire y pared frontal libre y ajustable. El headbox se alimenta a través de un cabezal perpendicular a la dirección de la máquina (MD) y presenta un decrecimiento lineal del área a través del ancho de la máquina. Para obtener un flujo uniformemente distribuido, la presión estática debe ser constante a través del cabezal. Considerando la pérdida de presión por fricción, el cabezal del headbox cuenta con una distribución geométrica que permite compensar la pérdida de cabeza para lograr un flujo constante y evitar zonas de estancamiento. El cabezal fue diseñado para una recirculación que oscila entre 5 y 8% Figura 15. Imágenes de headbox y la mesa formadora

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1.5.3 Mesa formadora. Una vez la suspensión ha sido pasada por una serie de limpiadores y se ha diluido hasta una consistencia de entre 0.2 y 0.7 %, se lleva al headbox, que es un dispositivo que convierte el flujo en una especie de lamina y permite una distribución homogénea sobre la malla sin fin, a lo largo de todo el ancho de la maquina. Esta consistencia baja permite una mejor formación de la hoja y su valor específico depende igualmente del producto a obtener. Figura 16. Esquema del sistema de vacío y mesa formadora

1.5.4 Sistema de vacío. Usadas básicamente para fomentar la remoción del agua de la hoja en formación en la mesa, así como para garantizar la estabilidad de la hoja en el paso entre secciones y para acondicionar los fieltros en las prensas. Figura 17. Tren de bombas de vacío

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1.5.5 Prensas. El prensado húmedo de la hoja de papel se realiza al contactar ésta con un fieltro entre dos rodillos giratorios. La presión se consigue, no sólo por el peso mismo del rodillo, sino también por la aplicación de una carga mecánica, la cual puede variar según el gramaje y la calidad particular del papel que se desea producir. Al iniciar la compresión se consigue retirar el aire de la hoja y del fieltro, logrando de esta manera que el papel se sature, paso que es seguido de un incremento de presión por medio del cual el agua se desplaza hacia el fieltro, logrando así que éste también se sature. En estas condiciones, el agua entonces se desplaza hacia zonas de menor presión y es entonces recogida en cajas acondicionadoras ayudadas con vacío. Figura 18. Área de prensas en la máquina

1.5.6 Prensa Zapata. Esta prensa utiliza una zapata cargada hidráulicamente para ejercer la fuerza de prensado contra un rodillo. La utilización de dicha zapata permite alargar la zona de contacto a todo lo ancho de la máquina en una longitud de 250 mm. La prensa de zapata ha sido diseñada para poder aplicar una muy elevada carga lineal, que se traduce en una alta sequedad de la hoja a la salida de prensas sin dañar la estructura de la misma manteniendo o incrementando su calibre. Figura 19. Diagramas de una prensa zapata

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1.6 ÁREA DE SECADO Figura 20. Sección de secadores de la máquina

1.6.1 Hood. El Hood es la cubierta donde están alojados los secadores, su función es lograr un ambiente restringido; la presión interior es ligeramente superior a la circundante, manteniendo así las condiciones de temperatura controlada que se requieran. Figura 21. Sección de secadores, Calan y Hood

1.6.2 V.A System . Sistema de extracción y renovación del aire, que evita la rehumidificación del papel y mantiene las condiciones adecuadas de temperatura y humedad del aire dentro del hood.

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Figura 22. Imágenes diferentes ángulos del V.A. System 1.6.3 Condensado. Una vez el vapor ha cumplido su función dentro del secador, es removido por un sifón como una mezcla de vapor-condensado saturado y enviado hacia un tanque separador . Figura 23. Imagen del tanque de condensado sistema de vapor

El vapor es recirculado y acondicionado para ingresar nuevamente a la sección de secadores a la presión adecuada; y en cuanto al condensado, una parte se utiliza para disminuir los grados de sobrecalentamiento del vapor a la entrada del molino y la otra parte es enviada de vuelta a planta de fuerza. 1.6.4 Clupak. Es un sistema de compactación, que permite que el papel para sacos adquiera una elongación hasta de un 17% sin creparse. Esta compactación confiere al papel de embalaje mayor resistencia y menor posibilidad de rotura.

37

Figura 24. Sección Clupack de la máquina

1.6.5 Reatas. El sistema de reatas permite el paso de la cola de papel durante el restablecimiento de la operación normal de producción. Se encuentra distribuido en 5 unidades que corresponden a las cuatro secciones mecánicas de secadores y a la sección del calan. Cada unidad está conformada por un par de reatas (interna y externa), las poleas y los tensores. Figura 25. Imágenes del sistema de reatas de la máquina

1.6.6 Calan. La función del calan es proporcionar el calibre deseado al papel y disminuir las variaciones que se presentan a lo ancho del mismo. Igualmente da la lisura superficial necesaria para obtener una óptima calidad en la impresión.

38

Figura 26. Salida del Calan

1.6.7 Pope Reel. El pope reel tiene como función proporcionar el embobinado del papel y garantizar la continuidad de la operación al realizar el cambio de bobina cuando se alcanza el diámetro deseado. Figura 27. Pope reel salida de la sección de secadores y enrolladora

1.6.8 Terminado. Parte final del proceso de fabricación del papel a partir de la pulpa procesada, se embobinan rollos de papel cortados a solicitud del cliente y sale como producto terminado.

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2. ANÁLISIS DE ARMÓNICOS Los armónicos en esencia introducen una componente de pérdidas y malfuncionamiento de equipos, por lo que su tratamiento dentro del estudio global del sistema, principalmente en lo relacionado con el tema de calidad de la potencia eléctrica o calidad del suministro de la energía eléctrica, es de alta importancia. Importancia que también se le debe dar dentro del tema de eficiencia energética, especialmente en los tiempos actuales de lacerantes crisis energéticas en que cualquier acción en contra de los desperdicios resulta obligatoria. 2.1 OBJETIVOS DE UN ESTUDIO DE ARMÓNICOS

Las razones más usuales para ejecutar un estudio de armónicos son: • Corregir un problema existente. • Estimar la distorsión de la tensión debido a la adición de un nuevo sistema con fuentes armónicas. • Estimar la magnitud de las corrientes armónicas para la adición de un nuevo sistema.

La existencia de problemas típicos que requieren un análisis de armónicos incluyen fallas en equipos (capacito res y motores), excesiva distorsión en las tensiones e interferencia con circuitos de comunicaciones. El objetivo de un estudio en un problema existente es para determinar cómo se va a suprimir el efecto del armónico.

Generalmente las técnicas de supresión involucran alguna clase de filtramiento, o una disminución de las maniobras sobre un banco de condensadores.

Cuando una gran fuente de armónicos va a ser adicionada en un barraje, un estudio de armónicos debe hacerse para determinar, cuál es el resultado de la distorsión en la tensión, para determinar el potencial de las sobretensiones resonantes.

La distorsión de tensión afecta directamente a otros consumidores y puede generar sobrecalentamiento en los motores. El estudio también es importante para conocer las magnitudes de las corrientes armónicas y las direcciones en las que fluyen, cuando una gran carga de producción de armónicos es adicionada. Las corrientes podrían también fluir por áreas con problemas de resonancia local, resultando en una excesiva distorsión en la tensión1.

1 TÉLLEZ RAMÍREZ, Eugenio. Distorsión armónica automatizacion, productividad y calidad. Bellavista: S.A AP&C. 16 SUR 2122 Col. C.P. 72500 Puebla, Pue.

40

2.2 PERTURBACIONES ARMÓNICAS Las perturbaciones llamada armónicas son causadas por la introducción en la red de cargas no lineales como los equipos que forman parte de la electrónica de potencia (variadores, onduladores, convertidores estáticos, puestos de soldadura,...). Generalmente todos estos equipos incorporan rectificadores y estas electrónicas de corte deforman las corrientes originando fluctuaciones de tensión en la red de distribución de baja tensión. Es la concentración de numerosos equipos generadores de armónicos los que generan perturbaciones en la red. Se llama armónico a una superposición en la onda fundamental de 60 Hz, de ondas igualmente sinusoidales pero de frecuencia múltiples a la de la fundamental. Con el fin de medir los armónicos de corriente o de tensión, se emplea una función matemática llamada “transformada de Fourier” que permite descomponer una señal periódica en una suma de señales sinusoidales múltiples de la frecuencia fundamental. Todos estos armónicos se pueden sumar: el resultado es el THD (Tasa de Distorsión Armónica). El campo de frecuencias que corresponde al estudio de los armónicos generalmente está comprendido entre 100 y 2000 Hz, es decir desde el armónico 2 hasta el armónico de rango 40. Las consecuencias de estos armónicos pueden ser instantáneas sobre ciertos equipos electrónicos: trastornos funcionales (sincronización, conmutación,...), disparos intempestivos de protecciones, errores de contaje en contadores de energía,... Los calentamientos suplementarios inducidos por los armónicos pueden, a largo plazo, disminuir la vida de las máquinas giratorias, los condensadores, transformadores de potencia y conductores de neutro. 2.3 CUÁNDO ES NECESARIO UN ESTUDIO DE ARMÓNICOS Los puntos dados a continuación podrán servir de indicador de las condiciones requeridas para el estudio. • Aplicación de un banco de condensadores a un sistema compuesto de un 20% de convertidores u otros equipos generadores de armónicos. • Una historia de armónicos relacionado con una excesiva operación de los fusibles de los capacitores. • Estrictos requerimientos de la compañía de energía con respecto al límite e inyección armónica proveniente del usuario hacia el sistema.

41

• Una expansión de la planta con una adición significativa de equipos generadores de armónicos que se encuentran operando conjuntamente con bancos de capacitores.

• Necesidad de cumplir con Normas 2.4 TEORÍA GENERAL 2.4.1 Definición de armónicos. Este concepto proviene del teorema de Fourier y define que, bajo ciertas condiciones analíticas, una función periódica cualquiera puede considerarse integrada por una suma de funciones senoidales, incluyendo un término constante en caso de asimetría respecto al eje de las abscisas, siendo la primera armónica, denominada también señal fundamental, del mismo período y frecuencia que la función original y el resto serán funciones senoidales cuyas frecuencias son múltiplos de la fundamental. Estas componentes son denominadas armónicas de la función periódica original. Figura 28. Forma de onda original y sus componentes armónicos 1, 5, 7 y 11

Las ondas simétricas contienen únicamente armónicas impares, mientras que para ondas asimétricas existirán tanto armónicas pares como impares.

42

Cuando se hacen mediciones de las ondas de corriente o voltaje utilizando analizadores de armónicas, el equipo efectúa integraciones mediante la técnica de la trasformada rápida de Fourier, dando como resultado la serie de coeficientes Ah

que expresadas con relación a la amplitud A1 de la fundamental, constituye el espectro de corrientes armónicas relativo a la onda medida. Figura 29. Componentes armónicas relativas a la original o fundamental.

Estas señales pueden visualizarse en un sistema tridimensional en el que se representan su magnitud, ubicación en frecuencia y a lo largo del tiempo. Figura 30. Componentes en el dominio del tiempo y de la frecuencia

2.5 CIRCUITOS RESONANTES � Resonancia paralelo: Alta impedancia al flujo de corriente a la frecuencia de resonancia. � Resonancia serie: Muy baja impedancia al flujo de corriente a la frecuencia de resonancia.

Un filtro de armónicos se diseña para que sea una resonancia serie. También se le llama ‘trampa’ ya que atrapa o controla el flujo de corrientes armónicas.

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2.5.1 Resonancia paralelo. Una resonancia paralela resulta en una impedancia muy alta presentada por el sistema a la corriente armónica correspondiente a la frecuencia de resonancia. Puesto que la mayoría de cargas generadoras de armónicos pueden ser consideradas como fuentes de corriente, el fenómeno resulta en elevadas tensiones y corrientes armónicas en las ramas de la impedancia paralelo.

Una resonancia puede ocurrir donde exista un capacitor conectado al mismo barraje que una fuente de armónicos. Considerando la Figura 1.1, la impedancia equivalente del Barraje A, a tierra es:

eq

th c

th c

Z = X X

X + X Otras características de la resonancia paralelo • Se conoce como un circuito ‘tanque’. • Dado que V=IZ, en casos en que Z sea muy alto V también podrá serlo. • La característica de un circuito resonante - paralelo es que ante la existencia de una corriente de excitación externa, se producirá una corriente oscilante a la frecuencia de resonancia. • La magnitud de esta corriente solo está limitada por la resistencia.

Figura 31. Resonancia en paralelo

La condición de resonancia paralelo ocurre cuando el denominador de la expresión anterior se reduce a cero:

Xth + Xc = 0 Xth = -Xc

44

Las reactancias a la frecuencia angular de resonancia (Wn) se expresan así:

th n c

n

X = W L y X = 1

W C Además, con base en la impedancia a la frecuencia angular fundamental (W):

WL = V

MVA

2

cc

1

WC = V

MVA

2

cap

Despejando valores para L y C y reemplazando en la condición de resonancia, se obtiene:

n

2

cc

2

n cap

W VW MVA

= W V

W MVA Resolviendo para la frecuencia de resonancia paralelo fp (Wn = 2πfp), se obtiene:

p

cc

cap

f = f MVA

MVA donde: � fp : Frecuencia de resonancias paralelo (Hz) � f : Frecuencia fundamental (Hz) � MVAcc : Capacidad de cortocircuito del barraje � MVAcap : Capacidad de los capacitores del barraje a la frecuencia fundamental. 2.5.2 Resonancia Serie. Bajo condiciones de resonancia serie, el sistema ofrece una impedancia muy baja a tensiones armónicas de frecuencia igual a la de resonancia. Por lo tanto, pequeños tensiones armónicas en el sistema pueden originar elevadas corrientes armónicas en los equipos. Como se explicará más adelante, los filtros de armónicos tienen por función introducir una resonancia serie en un barraje dado del sistema. De esta forma, corrientes armónicas inyectadas por cargas deformantes, pueden ser fácilmente drenadas a tierra.

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Otras características de la resonancia serie • Dado que I=V/Z, para alguna tensión dada, I será inversamente proporcional a Z. Para una Z muy baja, I puede ser muy alta. • Usualmente la frecuencia de resonancia es muy alta para los valores normales de inductancia, resistencia, capacitancia de los cables, transformadores y equipos en general. • Cuando se agregan bancos de condensadores la frecuencia de resonancia puede caer en los valores usuales de las tensiones armónicas. Figura 32. Resonancia serie

La frecuencia de resonancia está dada por Donde: MVAsc es la capacidad de cortocircuito trifásico del sistema y MVArc es el tamaño del banco en MVAr. 2.6 FUNDAMENTACIÓN MATEMÁTICA La Teoría de Fourier establece que cualquier función continua y periódica puede ser representada por la suma de una componente sinusoidal fundamental mas una serie de armónicos sinusoidales de orden superior con frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental.

C

scr

L

Cr

MVAr

MVAff

X

Xf

LCf

1

1

1

2

1

=

==π

46

Una señal cualquiera periódica puede expandirse en series de Fourier siempre que cumpla con las condiciones de Dirichlet: � Poseer un número finito de discontinuidades en un período. � Poseer un número finito de máximos y mínimos en un período. � Que el resultado de integrar la función a lo largo de su período sea un valor finito. En estas condiciones, una función f(θ) con período 2π se representa en serie Fourier de la siguiente forma:

f( ) = A2

+ ( A * n + B * n )O

n=1n nθ θ θ

∞

∑ Cos Sin

donde:

O -A = 1

* f( ) * dπ

θ θπ

π

∫ n -A = 1

* f( ) * * dπ

θ θ θπ

π

∫ cos

n -B = 1

* f( ) * n * dπ

θ θ θπ

π

∫ sin

En el caso de una función de tiempo, f(t), con período T, se obtiene:

θ π =

2

T * t = wt

donde:

w = 2 * π / T = frecuencia angular. Considerando la serie de Fourier en función del tiempo, ella adopta la siguiente forma:

f(t) = A2

+ ( A * n t + B * n t)O

n=1n n

∞

∑ Cos Sinω ω

donde:

n -T / 2

T / 2

A = 2

T * f(t) * n t * dt∫ cos ω

n = 1, 2, 3, .....

n -T / 2

T / 2

B = 2

T * f(t) * n t * dt∫ sin ω

Esta ecuación puede ser escrita de la siguiente manera:

f(t) = A2

+ C * (n t - )O

n=1n

∞

∑ Cos ω α

donde:

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n

2

n

2

nC = ( A + B )

a = arctg (Bn / An) Cn representa la magnitud y a la fase del armónico n-ésimo de la función f(t). Una vez efectuada la descomposición armónica de una señal, se obtiene la magnitud y el ángulo de fase de cada uno de los armónicos que aparecen en la misma. Con base en esta información se define el THD así:

THD (%) = C + C + .... + CC

x 1002

2

2

3

2

n

1 donde: C1 : Magnitud de la componente de frecuencia fundamental. Ci : Magnitud de la componente armónica i-ésima. Una vez determinado el THD para una señal de tensión o corriente, se debe comparar su valor con los límites establecidos por la norma correspondiente. Esto con el fin de determinar si la distorsión se considera excesiva. 2.7 INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE ARMÓNICOS Los instrumentos para medición de armónicos han evolucionado considerablemente en los últimos años. Los diseños más modernos consisten en analizadores digitales que registran componentes armónicas con frecuencias hasta de 50 veces la frecuencia fundamental (3000 Hz). Presentan siete (7) canales de entrada: tres para tensiones de línea, tres para corrientes de línea y un canal de tensión para propósito general. Normalmente, los registros son entregados como tablas de datos y formas de onda, los cuales incluyen la siguiente información: � Tabla resumen con parámetros de los seis canales (3 tensiones y 3 corrientes) registrados. Los parámetros son: Valor RMS, THD, TIF, It y desbalance NEMA. � Tabla con distribución espectral en magnitudes por armónico, de los seis canales y la corriente del neutro. � Tabla con distribución espectral en ángulo de fase por armónico, de los 6 canales y la corriente del neutro. � Formas de onda para cada uno de los seis canales. � Espectro de frecuencia para cada uno de los seis canales.

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Típicamente los rangos de operación para los canales de tensión y corriente son 0-750 VAC y 5-15 A respectivamente. Para efectuar mediciones en puntos de alta tensión, 1 kV o mayores, se requiere de la utilización de transformadores de potencial y de corriente. En tales situaciones debe prestarse atención al hecho que los transformadores de potencial pueden variar su relación de transformación a frecuencias superiores a la fundamental. Esta variación puede introducir errores en la medición. Los transformadores de potencial inductivos tienen una respuesta de frecuencia casi plana hasta frecuencias entre 700 y 1000 Hz, mientras que los TP tipo capacitivo tienen una respuesta de frecuencia completamente irregular para frecuencias superiores a 60 Hz, razón por la cual estos transformadores pueden ampliar o atenuar los armónicos de la onda bajo medición. Teniendo en cuenta la respuesta de frecuencia del transformador de potencial tipo inductivo, es posible realizar mediciones confiables de armónicos hasta el 15º, sin que haya atenuación o amplificación de las componentes armónicas. Esto no resulta una limitación dado que los armónicos predominantes en sistemas de potencia son del orden de 11° o menores. Para otro s efectos como interferencia telefónica, en donde se requiere medir radiofrecuencias no es adecuado un TP con una respuesta de frecuencia tan estrecha. Los transformadores de corriente presentan una respuesta de frecuencia prácticamente plana hasta aproximadamente 5 KHz. Por esto la situación no es de cuidado al usar los TC. En cada punto de medición se registraron los voltajes de fase, Van, Vbn, Vcn y las corrientes de línea Ia e Ib. La corriente Ic no estaba disponible, por la cual el canal para la corriente de neutro I-N, registró un valor tan alto. Las señales de voltaje y corriente fueron obtenidas del bloque de prueba del punto de facturación del usuario a 34.5 kV. El bloque de prueba es alimentado por TP's y TC's con precisión de medida y proporcionan un método seguro para cortocircuitar los TC's y conectar las bobinas de corriente del registrador. El equipo de registro se interconecta con un microcomputador lap-top IBM o compatible mediante una conexión serial RS232. Esto permite que el software de soporte ejecutado en el microcomputador, almacene en medio magnético la información registrada por el analizador y al mismo tiempo despliegue en pantalla las formas de onda de las señales analizadas. Cada vez que se realiza un registro, los datos correspondientes son almacenados en un disco flexible bajo un archivo con nombre dado por el operario, pero con

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hora y fecha de registro asignados directamente por el software. Los archivos de los registros son posteriormente editados para la elaboración del informe. 2.8 ANÁLISIS DE MEDIDAS PARA LA ELIMINACIÓN DE ARMÓNICOS Los efectos de los armónicos pueden eliminarse reduciendo la magnitud de las corrientes o voltajes armónicos que se producen en el sistema. La reducción puede hacerse mediante la instalación de filtros o mediante conexión de la carga a un nivel de tensión para el cual el efecto de los armónicos sea menos considerable. La magnitud de armónicos admisible en un sistema se encuentra establecida por la norma IEEE Standard 519-1992, "IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Power Systems". Dicha norma establece los límites admisibles tanto en voltaje como en corriente para el intercambio de potencia entre la compañía de servicio público y un sistema industrial. Según la norma, debe determinarse el THD en las señales de voltaje y corriente en el Punto de conexión del usuario a la red - (Point Of Common Coupling ). La norma indica los niveles máximos admisibles para el THD en corriente, de acuerdo a la tensión de la red, y de acuerdo a la relación Icc/In para el usuario en cuestión. El valor Icc representa el nivel de cortocircuito en el PCC, y el valor In representa la corriente nominal del usuario. De esta manera, se admite que usuarios más pequeños generen niveles de armónicos más elevados, por cuanto su efecto en las redes de energía será más reducido. 2.9 SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DEL FILTRO El objetivo de un filtro de armónicos es proporcionar una trayectoria a tierra de baja impedancia para los armónicos de voltaje o corriente, con el fin de facilitar su circulación a tierra y prevenir su propagación en el resto del sistema. En este sentido, los filtros deben ser ubicados lo más cerca posible del punto donde se generan los armónicos. El tipo de filtro requerido depende del número de armónicos a eliminar del sistema. En general, se tienen dos (2) tipos de filtros para armónicos: � Filtros sintonizados � Filtros amortiguados Un filtro sintonizado es un circuito RLC como el indicado en la Figura 2.6 el cual presenta una impedancia mínima a la frecuencia de un armónico definido tal como

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se indica en la Figura 2.7. La impedancia de este tipo de filtro está dada por la siguiente expresión:

Z = R + j WL -1

WC

la cual se reduce a R a la frecuencia de resonancia (fn) para lo cual

Wn = 2πfn

los parámetros R, L y C pueden obtenerse de las siguientes relaciones :

n

n

W L = 1

W C

O n

n

X = W L = 1

W C =

L

C

Figura 33. Filtro sintonizado

Figura 34. Impedancia mínima a la frecuencia de un armónico dado.

De otro lado se define Q como el factor de calidad del filtro, el cual determina el ancho de la banda de sintonía del mismo. Valores típicos para Q están en el rango de 30 a 60 de acuerdo con la referencia (4).

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Puede demostrarse que para filtros sintonizados:

Q = XR

O

Un filtro amortiguado es un circuito RLC como el indicado en la Figura 2.8, el cual presenta una característica de frecuencia como la indicada en la Figura 2.9. Se observa que la impedancia es mínima a frecuencias mayores a la de sintonía (filtro paso-alto). Los parámetros R, L y C para el filtro amortiguado están dados por las siguientes relaciones:

Of =

1

2 CRπ

m = L

R C2

donde m toma valores entre 0.5 y 2. Figura 35. Filtro amortiguado

Figura 36. Característica de frecuencia del filtro amortiguado

Los filtros sintonizados son utilizados para la eliminación de armónicos individuales de bajo orden con magnitudes considerables. En tal caso se utiliza un

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filtro compuesto por varias ramas RLC, cada una de ellas sintonizada a una de las frecuencias de los armónicos que se quieran eliminar. Los filtros amortiguados paso-alto se utilizan normalmente para eliminar conjuntos de armónicos, generalmente mayores a 13, con magnitudes relativamente menores. La determinación de las características nominales de las componentes de un filtro es un proceso iterativo, que parte de los requerimientos de reactivos para el dimensionamiento inicial del capacitor. Con un primer valor de éste se seleccionan la inductancia y la resistencia de acuerdo al Q apropiado para el sistema. Utilizando el flujo de armónicos se calculan los niveles de corriente por los elementos y se verifica que no excedan los nominales. En caso de ser ellos excedidos, se modifican los parámetros y se hacen nuevas corridas. En el proceso se debe determinar el filtro mínimo que desempeñe la labor de eliminación de armónicos requerida, suministrando adicionalmente la potencia reactiva necesaria para compensar el factor de potencia en la carga deformante. Se requiere además que los componentes del filtro no queden sometidos a sobrecargas ni a sobre tensiones durante su operación normal. El tamaño de un filtro es definido por la potencia que los componentes del filtro disipan a la frecuencia fundamental (60 Hz). Normalmente, la potencia del capacitor utilizado se determina de los requerimientos de potencia reactiva de la carga deformante. Los demás elementos se seleccionan para proporcionar al filtro la respuesta de frecuencia deseada. El criterio ideal de diseño es eliminar completamente la distorsión producida por la carga. Sin embargo, dicho criterio resulta técnica y económicamente impráctico debido a la magnitud y costos de los filtros finalmente requeridos. Un criterio más práctico consiste en diseñar un filtro para reducir las distorsiones a niveles aceptables acogiendo una norma para tal fin. 2.10 CAMBIOS DE NIVELES DE TENSIÓN El cambio en el nivel de tensión de alimentación de un usuario, representa una alternativa efectiva en algunos casos para disminuir el efecto de los armónicos del usuario sobre el sistema de distribución. Al cambiar el nivel de tensión a uno mayor, los niveles de cortocircuito aumentan en relación a la corriente de carga del circuito. Por tanto la relación Icc/In aumenta, permitiendo un THD mayor en la corriente de carga de acuerdo con las Tablas 10.3, 10.4 y 10.5 tomadas de la norma IEEE Std 519-1992. Posteriormente se

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ilustrará mediante un modelo de computador, cómo el efecto de una carga deformante dada es menor cuando mayor sea el nivel de tensión del punto de conexión. En usuarios con niveles de distorsión intermedios, la conexión a un mayor nivel de tensión constituye una alternativa para incrementar el margen de distorsión admitido en el punto de conexión con la red de distribución 2.11 MODELOS DE FLUJOS DE ARMÓNICOS La simulación de un sistema mediante un programa de Análisis de Armónicos tiene por objetivo evaluar los efectos de implementar en el sistema las medidas correctivas descritas anteriormente. Concretamente con un flujo de armónicos se pretende obtener los siguientes objetivos: � Cuantificar la reducción en el THD de corriente y voltaje en los circuitos con excesivo contenido de armónicos. � Verificar la reducción o eliminación del armónico o armónico predominante del sistema. � Determinar los efectos de trasladar usuarios con cargas deformantes de un nivel de tensión a otro con mayores niveles de cortocircuito. � Determinar las corrientes y voltajes a los que estarán sometidos los componentes de un filtro para estimar sus características nominales. El programa aquí utilizado en las simulaciones permite determinar la característica de respuesta a la frecuencia del sistema, así como también los niveles de armónicos en el sistema, originados por fuentes de armónicos conocidas. Posee capacidades gráficas que permiten presentar por pantalla o imprimir cualquier tipo de gráfica de impedancia contra frecuencia o señales en el dominio del tiempo. Entre otras incluye las siguientes características: � Cálculo de flujos armónicos de potencia. � Soporta la representación completa de cualquier sistema de potencia, incluyendo desbalances en cargas, dispositivos con características dependientes de la frecuencia y fuentes múltiples de armónicos. Dependiendo de la situación,

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pueden seleccionarse modelos trifásicos o monofásicos para los componentes del sistema. � Incluye modelos para todos los componentes de un sistema de potencia tales como: líneas, cables, transformadores, motores, capacitores y cargas. También incluye modelos para dispositivos generadores de armónicos tales como: transformadores, hornos de arco, rectificadores, inversores, cicloconvertidores y capacitores estáticos. El modelo desarrollado para análisis por computador de un sistema, tiene en cuenta las siguientes consideraciones. � Las cargas que generan armónicos se modelan como fuentes de corriente. El espectro de frecuencia de la fuente de corriente corresponde al determinado mediante el registrador a través de mediciones. � Las líneas de transmisión se representan por sus parámetros R y L. El programa permite incluir dependencia de la impedancia con la frecuencia. � El Sistema de Generación o de Suministro de Energía se representa por su equivalente Thévenin calculado a partir del nivel de cortocircuito existente. A través del programa se puede modelar la variación de la impedancia con la frecuencia. � Los reactores y capacitores son incluidos con modelos internos del programa. � Otros usuarios con niveles de distorsión despreciables son representados por fuentes de corriente sinusoidales puras. 2.12 CARGAS LINEALES Y NO LINEALES Cuando se aplica una tensión senoidal directamente a cargas tales como resistencias, inductancias, capacitores o una combinación de ellos, se produce una corriente proporcional que también es senoidal, por lo que se les denominan cargas lineales.

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Figura 37. Carga lineal. La corriente y la tensión siempre son proporcionales a lo largo de la línea de su impedancia.

En los circuitos en los que su curva corriente – tensión no es lineal, el voltaje aplicado no es proporcional a la corriente, resultando una señal distorsionada con respecto a la senoidal. Figura 38. Carga no lineal de una resistencia controlada por SCR en la que la corriente y la tensión no son proporcionales

La curva característica corriente – tensión de la carga define si es o no lineal su comportamiento y no se debe pensar que todos los equipos que tienen semiconductores por definición son no lineales. Existen aplicaciones donde se emplean SCR’s conectados en antiparalelo con control de cruce por cero en los que prácticamente no existe distorsión, considerándose lineales y por otro lado una resistencia con control de fase es una carga no lineal. La distorsión armónica en los sistemas eléctricos es provocada por las cargas no lineales, contaminando la red y pudiendo afectar incluso a otros usuarios que únicamente posean cargas lineales.

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2.13 MEDIDAS DE LA DISTORSIÓN EN TENSIÓN Y CORRIENTE Para cuantificar la distorsión existente en una señal, es preciso definir parámetros que determinen su magnitud y contar con equipos de medición adecuados. A continuación se presentan las expresiones necesarias para efectuar los cálculos relacionados con la distorsión armónica. 2.13.1 Valor eficaz (rms). Cuando se suman señales de tensión o corriente de diferentes frecuencias para obtener su resultante.

Corriente eficaz (rms)

∑=

=n

iiRMS II

2

2

Voltaje eficaz (rms)

∑=

=n

iiRMS VV

2

2

Cofactor de distorsión (Cd): Es la relación entre el contenido armónico de la señal y su valor eficaz (rms). Su valor se ubica entre 0% y 100%.También se conoce como THD y es el índice más ampliamente usado en Europa. Con una distorsión baja, Cd cambia notoriamente, por eso se recomienda su uso cuando se desea conocer el contenido armónico de una señal.

Cd: Cofactor de distorsión

%100*2

2

RMS

n

ii

d I

I

C∑

==

2.13.2 Distorsión armónica total (THD). Es la relación entre el contenido armónico de la señal y la primera armónica o fundamental. Su valor se ubica entre 0% e infinito.

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Es el parámetro de medición de distorsión más conocido, por lo que es recomendable para medir la distorsión en parámetros individuales (I y V). Al igual que el Cd es útil cuando se trabaja con equipos que deben responder sólo a la señal fundamental, como en el caso de algunos relevadores de protección.

THD: Distorsión armónica total

%100*2

2

i

n

ii

I

I

THD∑

==

2.13.3 Distorsión de demanda total. Es la relación entre la corriente armónica y la demanda máxima de la corriente de carga. Cuando se efectúan mediciones relacionadas con armónicas en los sistemas eléctricos, es común encontrar niveles de THD altos en condiciones de baja carga que no afectan la operación de los equipos ya que la energía distorsionante que fluye es también baja. Para evaluar adecuadamente estas condiciones se define el TDD que es el parámetro de referencia que establece los límites aceptables de distorsión en corriente en la norma IEEE 519-1992

TDD: Distorsión de demanda total

%100*2

2

L

n

ii

I

I

TDD∑

==

Donde:

Ih = Magnitud de la armónica individual h = orden armónico IL = demanda máxima de la corriente fundamental de carga, que se calcula como el promedio máximo mensual de demanda de corriente de los 12 últimos meses o puede estimarse.

2.14 FUENTES QUE PRODUCEN ARMÓNICOS La norma IEEE 519-1992, relativa a “Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de armónicas en sistemas eléctricos de potencia” agrupa a las fuentes emisoras de armónicas en tres categorías diferentes: - Dispositivos electrónicos de potencia. - Dispositivos productores de arcos eléctricos.

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- Dispositivos ferromagnéticos. Algunos de los equipos y procesos que se ubican en estas categorías en el Máquina 4 son: - Motores de corriente directa accionados por tiristores - Inversores de frecuencia - Fuentes ininterrumpidas UPS - Computadoras - Equipo electrónico - Equipos de soldadura - Transformadores sobreexcitados 2.15 CONTROL DE ARMÓNICOS Los armónicos son elementos no deseados debido a sus efectos perjudiciales sobre el sistema eléctrico. Las siguientes soluciones se pueden tomar para reducir el efecto de los armónicos y proteger a los equipos. - Limitar la potencia de las fuentes generadoras de armónicos. - Limitar el número de fuentes generadoras de armónicos que operan simultáneamente. - Conectar en forma equilibrada cargas monofásicas en sistemas trifásicos. - Agregar conductores de neutro extras. - Tener la tierra aislada separada de la puesta a tierra. - Circuitos de filtros sintonizados - Circuitos de filtros desintonizados. - Usar equipos con rectificadores con mayor número de pulsos. - Filtros Activos para armónicos Entre las más utilizadas: 2.15.1 Técnicas pasivas. Un convertidor de frecuencia sin ningún tipo de filtro generará una contaminación armónica THD > 100%. Inductores en el bus DC: Algunas fabricantes de VDFs incorporan de forma estándar bobinas en serie en el bus DC. Esta técnica reduce la THD < 45%. Reactores de línea: Generalmente son soluciones opcionales. Son filtros que se colocan entre la alimentación y el VDF. Esta técnica reduce la THD también a un valor < 45%.

59

Rectificadores de 12 pulsos: No necesitan transformadores extras. Eliminan la generación de la 3ero, 5to y 7to armónico. Existen versiones serie o paralelo. Esta técnica reduce la THD a un nivel < 11%. 2.15.2 Técnicas activas. Rectificador controlado: Generalmente utilizan la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM). Cancelan los armónicos 3ero, 5to, 7to, 11avo y 13avo. Esta técnica reduce la THD a < 9%. Filtro activo: Es un dispositivo que se conecta en paralelo con VDF. Un transformador de corriente mide la intensidad del contenido armónico de la corriente de carga y a través de un generador de corriente, produce una réplica exacta de los armónicos pero en sentido inverso. En la práctica, esta técnica reduce la THD a un nivel entre 3 y 8%. Pérdidas de producción, menor vida útil de los equipos, mayor costo de la energía eléctrica y también menos calidad de la misma son algunos de los daños generados por los armónicos en la red eléctrica. Un problema antiguo, pero totalmente vigente en las empresas, que poco o nada se ha resuelto con el tiempo. Según los expertos, el problema reside en un equivocado análisis costo-beneficio, malas decisiones que cuestan caro a la hora de corregir fallas producto de haber subestimado el impacto negativo que este fenómeno puede provocar. 2.16 PRÁCTICAS RECOMENDADAS 2.16.1 Prácticas recomendadas para usuarios individuales. Esta recomendación reemplaza la IEEE Std 519 - 1981 y se enfoca en el Punto de Acople Común (PCC), o sea la interfase entre el consumidor y la empresa. Dentro de una planta industrial el PCC es el punto entre la carga no lineal y otras cargas. La distorsión de tensión armónica en el sistema es función de la corriente armónica inyectada y la impedancia del sistema a cada frecuencia armónica. Un método razonable para limitar las corrientes armónicas para consumidores individuales es hacer que los límites dependan del tamaño del consumidor. En la tabla 10.3 el tamaño del consumidor se expresa como la relación de la capacidad de corriente de cortocircuito en el PCC a la corriente de carga máxima del consumidor. Los límites de corriente armónica individual se expresan en porcentaje de esta corriente de carga máxima.

60

Tabla 2. Límites de distorsión armónica de corriente en porcentaje de carga

Tabla 3. Límites de distorsión de corriente para sistemas de distribución General (120V a 69000V)

Tabla 4. Límites de distorsión de corriente para sistemas de subtransmisión General (69001V a 161000V)

Para las tres tablas anteriores se tiene que: Los armónicos pares se limitan al 25 % del límite del armónico impar superior ICC = Máxima corriente de cortocircuito en el PCC IL = Corriente de carga de demanda máxima (frecuencia fundamental) en el PCC Los límites de las tres tablas deben ser utilizados como valores de diseño del sistema para el peor caso en operación normal (últimas condiciones por más de una hora). Para periodos más cortos los límites pueden ser excedidos en 50 %. Es

61

recomendable que la corriente de carga sea calculada como la corriente promedio de la demanda máxima para los doce meses precedentes. La profundidad de la caída de tensión (notch), el Factor de Distorsión Armónica Total (THD) y el área de la caída de tensión línea-línea en el PCC debe limitarse de acuerdo con la tabla 2.4 Tabla 5. Límites de distorsión y clasificación de sistemas de baja tensión

Aplicaciones especiales

Sistema general

Sistema dedicado

Profundidad del Notch 10 % 20 % 50 %

THD (Tensión) 3 % 5 % 10 % Área del Notch [Vµs]

16400 22800 36500

Las aplicaciones especiales incluyen hospitales y aeropuertos Un sistema dedicado es sólo para cargas de convertidores 2.16.2 Prácticas recomendadas para empresas. Cada línea de transmisión tiene muchas frecuencias resonantes naturales, determinadas por su longitud, su geometría y su terminación. Si una frecuencia resonante serie está cercana a uno de los armónicos dominantes generados por convertidores, hay riesgo de interferencia telefónica severa. La resonancia armónica puede ocurrir en los circuitos de secuencia cero bajo las siguientes condiciones: • Neutros de generadores conectados en Y aterrizados a través de reactores • Generadores conectados directamente a los alimentadores o a través de transformadores con devanados conectados en Y en el lado del generador, que está sólidamente aterrizado o a través de reactores neutros. • Condensadores de corrección de Factor de potencia conectados en un arreglo Y aterrizado a lo largo de un alimentador. El generador siempre contiene tensiones armónicas de secuencia cero, las cuales actúan como fuentes de tensión debido a las pequeñas impedancias internas. Las fuentes de tensión armónicas están conectadas en una combinación serie de una reactancia inductiva (reactancia de generador, reactancia de transformador,

62

reactancia del alimentador y reactancia de aterrizaje del neutro) y una reactancia capacitiva. Si las dos reactancias son similares en magnitud en una de las frecuencias armónicas, una gran cantidad de corriente armónica fluirá en el circuito y puede causar problemas como altas tensiones de toque y de paso, operación errónea de los medidores de energía monofásicos y falsa operación de los relés de sobre corriente a tierra. Una solución es interrumpir el circuito a tierra, cambiando los esquemas de aterrizaje para los generadores y condensadores. El uso apropiado de devanados conectados en delta de transformadores elevadores también interrumpe el circuito a tierra. Los límites presentados en la tabla 2.5 deben ser utilizados como valores de diseño del sistema para el peor caso en operación normal (últimas condiciones por más de una hora). Para periodos más cortos los límites pueden ser excedidos en 50 %. Tabla 6. Límites de distorsión para la tensión

Tensión en el PCC Distorsión de tensión individual (%)

Distorsión total de tensión - THD (%)

<69 kV 69.001kV a 161 kV

>161.001 kV

3.0 1.5 1.0

5.0 2.5 1.5

2.17 FACTOR K El factor K es una constante que indica la capacidad que posee el transformador para alimentar cargas no lineales (por ejemplo: hornos de inducción, Drive, sistemas de cómputo) sin exceder la temperatura de operación para la cual está diseñado. A su vez, el factor K cumple la función de ser un indicador de la capacidad del transformador para soportar el contenido de corrientes armónicas mientras se mantiene operando dentro de los límites de temperatura para la cual está diseñado. Un factor K unitario corresponde a una corriente senoidal pura. 2.18 TRANSFORMADORES DE FACTOR K Los transformadores Factor K están diseñados para reducir los efectos de calentamiento por corrientes armónicas. El Factor K es un indicador de la capacidad del transformador para soportar contenido armónico mientras se mantiene operando dentro de los límites de temperatura de su sistema de aislamiento.

63

Los transformadores Factor K presentan algunas peculiaridades constructivas respecto de los convencionales: • Sobredimensionamiento de los conductores primarios para soportar las corrientes de circulación reflejadas de los armónicos. • Las secciones del neutro y sus conexiones se dimensionan para una corriente el doble de la de línea. • El tamaño del conductor primario se incrementa para soportar las corrientes armónicas circulantes. • Se diseña el núcleo magnético con una menor densidad de flujo normal, utilizando acero de mayor grado. • Utilizan conductores secundarios aislados de menor calibre, devanados en paralelo y transpuestos para reducir el calentamiento por efecto piel.

En los casos en que un transformador alimenta cargas no lineales, se presenta un sobrecalentamiento aún cuando no ha alcanzado sus kVA nominales, este sobrecalentamiento debido a la presencia de los armónicos es directamente proporcional al cuadrado del armónico multiplicado por las pérdidas que esta produce. De esta manera aparece el factor K aplicado a transformadores y se define como:

∑∞

=

=

1

2

2

n rmstotal

n nI

IhFactorK

donde:

( ) ( ) ( ) ( )223

22

21 ... nrmstotal IhIhIhIhI +++=

donde: Ih= magnitud de la corriente del h-ésimo armónico

Itotal= magnitud de la corriente fundamental La potencia equivalente de un transformador es la correspondiente a la sinusoidal que provoque las mismas pérdidas que las producidas con la corriente no sinusoidal aplicada. Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en el valor eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por el factor K.

64

3. ANÁLISIS DEL FACTOR DE POTENCIA

3.1 DEFINICIÓN DE FACTOR DE POTENCIA Comúnmente, el factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo. El factor de potencia se define como el cociente de la relación de la potencia activa entre la potencia aparente; esto es:

S

PFP == ϕcos

El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo. Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil. Sabemos que el hecho de conectar una carga del tipo inductiva a una línea de alimentación de corriente alterna, produce un retraso de la corriente de carga respecto de la tensión la magnitud, este retraso dependerá en gran medida del valor de la inductancia de la carga a conectar (también de la frecuencia). El retraso se lo conoce como φ. Otra forma de representar este fenómeno es a través de un diagrama vectorial tal y como se indica en la figura 39. Este retraso implica que tendremos una potencia que no está en fase con la potencia activa.

Figura 39. Diagrama de potencia para un sistema lineal

La potencia que está en cuadratura con la potencia activa se la conoce como potencia reactiva (Q) y se mide en VAR (Volt – Amper reactivos). La suma vectorial de las potencias o el producto de la corriente por la tensión de línea se le conoce como Potencia Aparente (S) y se mide en VA (Volt - Amper).

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La potencia activa es la potencia es el producto de la tensión por la corriente por el coseno del ángulo que forma el desfasaje (o en otras palabras la corriente que está en fase con la tensión en forma instantánea). Consumimos una potencia que realmente no estamos utilizando y lo que es más grave la tenemos que de alguna forma generar. A su vez esta corriente que es mayor a la que realmente utilizamos calienta los conductores y nos obliga a sobredimensionar la instalación de potencia. La solución clásica al problema de cargas inductivas se resuelve conectado en paralelo con la carga otra carga reactiva, pero con vector opuesto, esto es reactiva capacitiva. El valor de esta carga compensadora será tal que anule la componente reactiva inductiva de forma tal que el ángulo que formen la tensión y la corriente de carga sea cero, lo que implica que toda la corriente de línea es utilizada por el sistema, la potencia activa se iguala con la aparente y la potencia reactiva neta del sistema es cero. La definición sobre el factor de potencia a la cual estamos acostumbrados aplica para cargas lineales pero en la mayoría de los casos a nivel industrial esto no se logra pues se conectan cargas electrónicas de potencia no lineales. El factor de potencia se mide de muchas maneras eficientemente, y es afectado no solo por el cos φ sino por el contenido de armónicos de la corriente de alimentación. En la figura 40. Se puede apreciar el triángulo de potencias para cargas no lineales.

Figura 40. Triángulo de potencias para cargas no lineales.

En este contexto el proyecto de la norma Europea IEC 555-2, solo define los límites del contenido de armónicas de las fuentes de alimentación. Esta norma fue modificada por las IEC 1000-b. Existe además otra norma internacional, la IEEE 519 - 1992, "Requerimientos y Practicas recomendadas para control de armónicos en sistemas Eléctricos de Potencia".

66

3.1.1 Factor de potencia en presencia de armónicos Los armónicos en tensión y corriente producidos por las cargas no lineales incrementan las pérdidas de potencia por lo tanto tienen un impacto negativo en el sistema eléctrico. Para evaluar el impacto de los armónicos en el factor de potencia, es importante considerar el “factor de potencia real” el cual se define como:

rmsrms

promreal IV

pfP=

La ecuación con la cual estamos familiarizados es la del factor de potencia de desplazamiento, en condiciones sinusoidales:

( )( )11

11

1111

,1,1

,11 cos

2

cos2 θ

θ−∂=

−∂==

IV

IV

IVdpf

rmsrms

promP

En la presencia de armónicos la ecuación anterior se puede expandir a:

2,1

2,1

,3,2,1

1*1

...

IrmsVrms

promprompromreal

THDITHDVpf

PPP++

+++=

En la mayoría de los casos los armónicos en potencia son de magnitud mucho menor que la magnitud de la fundamental y la distorsión en tensión es inferior al 10%, en estos casos se podría realizar la siguiente simplificación:

2

1

2,1,1

,1

11 IIrmsrms

promreal

THD

dpf

THDIVpf

P+

=+

≈

De modo que en presencia de armónicos el factor de potencia se ve afectado por la magnitud del factor THD en corriente.

3.2 TIPOS DE CARGAS 3.2.1 Cargas resistivas. En las cargas resistivas como las lámparas incandescentes, el voltaje y la corriente están en fase.

67

Por lo tanto, En este caso, se tiene un factor de potencia unitario. 3.2.2 Cargas inductivas. En las cargas inductivas como los motores y transformadores, la corriente se encuentra retrasada respecto a la tensión. Por lo tanto, En este caso se tiene un factor de potencia retrasado.

3.2.3 Cargas capacitivas. En las cargas capacitivas como los condensadores, la corriente se encuentra adelantada respecto a la tensión. Por lo tanto, En este caso se tiene un factor de potencia adelantado.

Figura 41. Diagramas fasoriales de tensión y corriente

3.3 EL BAJO FACTOR DE POTENCIA Causas : Para producir un trabajo, las cargas eléctricas requieren de un cierto consumo de energía. Cuando este consumo es en su mayoría energía reactiva, el valor del ángulo se incrementa y disminuye el factor de potencia.

Figura 42. Factor de potencia VS ángulo

0=φ

0<φ

0>φ

FP=Cos0 130 0,86660 0,590 0

φ φ

68

En general se pueden distinguir dos tipos de problemas por bajo factor de potencia.

Problemas técnicos:

• Mayor consumo de corriente. • Aumento de las pérdidas en conductores. • Sobrecarga de transformadores, generadores y líneas de distribución. • Incremento de las caídas de voltaje.

Figura 43. Curva de Pérdidas en un conductor VS factor de potencia

Problemas económicos: • Incremento de la facturación eléctrica por mayor consumo de corriente. • Penalización de hasta un 120 % del costo de la facturación

3.4 BENEFICIOS POR CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA Beneficios en los equipos: • Disminución de las pérdidas en conductores. • Reducción de las caídas de tensión. • Aumento de la disponibilidad de potencia de transformadores, líneas y generadores. • Incremento de la vida útil de las instalaciones. Beneficios económicos: • Reducción de los costos por facturación eléctrica. • Eliminación del cargo por bajo factor de potencia. • Bonificación de hasta un 2.5 % de la facturación cuando se tenga factor de potencia mayor a 0.9

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3.5 COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA • Las cargas inductivas requieren potencia reactiva para su funcionamiento. • Esta demanda de reactivos se puede reducir e incluso anular si se colocan capacitores en paralelo con la carga. • Cuando se reduce la potencia reactiva, se mejora el factor de potencia.

Figura 44. Compensación del factor de potencia

En la figura anterior se tiene: • es la demanda de reactivos de un motor y la potencia aparente correspondiente. • es el suministro de reactivos del capacitor de compensación • La compensación de reactivos no afecta el consumo de potencia activa, por lo que es constante. • Como efecto del empleo de los capacitores, el valor del ángulo 1se reduce al ángulo 2. • La potencia aparente S1 también disminuye, tomando el valor de S2 • Al disminuir el valor del ángulo se incrementa el factor de potencia.

3.6 MÉTODOS DE COMPENSACIÓN

Son tres los tipos de compensación en paralelo más empleados: - a) Compensación individual � Aplicaciones y ventajas • Los capacitores son instalados por cada carga inductiva. • El arrancador para el motor sirve como un interruptor para el capacitor. • El uso de un arrancador proporciona control semiautomático para los capacitores. • Los capacitores son puestos en servicio sólo cuando el motor está trabajando.

70

� Desventajas • El costo de varios capacitores por separado es mayor que el de un capacitor individual de valor equivalente. • Existe sub-utilización para aquellos capacitores que no son usados con frecuencia.

Figura 45. Diagrama de conexión

- b) Compensación en grupo � Aplicaciones y ventajas • Se utiliza cuando se tiene un grupo de cargas inductivas de igual potencia y que operan simultáneamente. • La compensación se hace por medio de un banco de capacitores en común. • Los bancos de capacitores pueden ser instalados en el centro de control de motores. � Desventajas • La sobrecarga no se reduce en las líneas de alimentación principales


71

- c) Compensación central Características y ventajas • Es la solución más general para corregir el factor de potencia. • El banco de capacitores se conecta en la acometida de la instalación. • Es de fácil supervisión. Desventajas • Se requiere de un regulador automático del banco para compensar según las necesidades de cada momento. • La sobrecarga no se reduce en la fuente principal ni en las líneas de distribución.


Compensación individual de transformadores. De acuerdo con las normas técnicas para instalaciones eléctricas, la potencia reactiva (kVAR) de los capacitores, no debe exceder al 10% de la potencia nominal del transformador Compensación individual de motores. Generalmente no se aplica para motores menores a 10 kW. Rango del capacitor. • En base a tablas con valores normalizados, o bien, • multiplicar los hp del motor por 1/3 • el 40% de la potencia en Kw

3.7 BANCOS AUTOMÁTICOS DE CAPACITORES Cuentan con un regulador de VARS que mantiene el FP prefijado, ya sea mediante la conexión o desconexión de capacitores conforme sea necesaria. Pueden suministrar potencia reactiva de acuerdo a los siguientes requerimientos:

72

• constantes • variables • instantáneos Se evitan sobretensiones en el sistema Elementos de los bancos automáticos: • Capacitores fijos en diferentes cantidades y potencias reactivas (kVAR) • Relevador de factor de potencia • Contactores • Fusibles limitadores de corriente • Interruptor termo magnético general Los bancos de capacitores pueden ser fabricados en cualquier número de pasos hasta 27 (pasos estándar 5,7, 11 y 15). El valor de los capacitores fijos depende del No. De pasos previamente seleccionado, así como, de la cantidad necesaria en kVAR’s para compensar el FP a 1.0. A mayor No. de pasos, el ajuste es más fino, dado que cada paso del capacitor es más pequeño, permitiendo lograr un valor más cercano a 1.0, no obstante ocasiona un mayor costo. La conmutación de los contactores y sus capacitores individuales es controlada por un regulador (vármetro) 2.

2 Control del factor de potencia y Filtro de Armónicos [en línea]. Disponible en internet: http://www.sertec.com.py/telergia/telergia/informaciones/factor_de_potencia2.htm

73

4. NORMAS Y MÉTODOS PARA CONTROLAR EL CONTENIDO DE ARMÓNICOS

En este capítulo realizamos una breve descripción de las normas que aplican para el estudio, evaluación y corrección de la distorsión armónica de las redes eléctricas industriales. Haciendo énfasis en la Norma IEEE Std 519-1992 y su guía de aplicación IEEE P519A/D5.

4.1 NORMA IEEE Std 519-1992 “RECOMMENDED PRACTICES FOR HARMONIC CONTROL IN ELECTRICAL POWER SYSTEMS”

En 1981, el Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica (IEEE) elaboró el estándar IEEE- 519 titulado “Prácticas recomendadas y requerimientos para control de armónicas en sistemas de potencia”. El documento establece los niveles de distorsión de voltaje aceptables en sistemas de distribución al mismo tiempo que establece límites en la distorsión armónica de corriente que los usuarios pueden “inyectar” al sistema. Especifica los niveles permisibles de contenido de armónicos en el punto de acoplamiento común (PCC por su sigla en inglés).

De acuerdo con la norma mencionada, para cuantificar la distorsión armónica de una señal se define el factor de Distorsión Armónica Total THD (por sus siglas en inglés), el cual está dado por la siguiente expresión:

( )100*

...%

1

224

23

22

A

AAAATHD n+++

=

La norma indica los niveles máximos admisibles para el THD en tensión y en corriente, de acuerdo a la tensión de la red para la empresa que suministra el servicio y de acuerdo con la relación lcc/In para el usuario. El estándar también establece límites para los niveles de distorsión de corriente que puede ser “inyectada” por parte de los usuarios. Estos límites se establecen para cada una de las armónicas individuales así como para la distorsión de demanda total (TDD) y están en función del nivel de corto circuito (MVAcc) en el punto de suministro (punto de acoplamiento común) y del valor RMS de la corriente fundamental correspondiente a la demanda máxima promedio de los últimos doce meses (IL).

74

( )L

nI I

IIIITDD

224

23

22 ...+++

=

4.2 IEEE P519A/D5 “GUIDE FOR APPLYING HARMONIC LIMITS ON POWER SYSTEMS”.

La "Guía para la aplicación de límites de armónicos en sistemas de potencia" P519A/D6 Ene 1999 introduce reglas generales para evaluar límites de armónicos en instalaciones industriales. La guía propone un procedimiento para la evaluación se muestra en la figura 48. La guía aclara puntos importantes para la aplicación de la norma, entre los más importantes están: • Selección del punto de acople común PCC. • Métodos de medición, problemas y limitaciones. • Métodos de cálculo y simulación. • Impacto debido a la distorsión armónica. • Cálculo de la demanda de corriente por parte del usuario. • Consideraciones para la corrección del factor de potencia. El procedimiento general propuesto para la aplicación de los límites de los armónicos implica la caracterización de las fuentes de los armónicos, evaluando el impacto sobre el sistema y la implementación de métodos para el control de armónicos, si es necesario. Lo más importante es que implica una responsabilidad compartida entre el usuario y la empresa prestadora del servicio. Respecto a los usuarios: d eben de asegurar que en la acometida, la generación de armónicas en corriente se ubique dentro de los límites establecidos, tanto para componentes armónicas individuales como para la Distorsión de Demanda Total TDD, especificándose dichos límites como porcentaje de la demanda promedio de corriente del usuario en lugar de la corriente fundamental instantánea, con el fin de proporcionar una base común de evaluación a lo largo del tiempo. Respecto al Suministrador: es su responsabilidad que en la acometida, la distorsión armónica total en voltaje THDv se encuentre dentro de los límites establecidos, por lo que debe asegurarse que las condiciones de resonancia en el sistema de generación, transmisión o distribución no ocasionen niveles inaceptables de distorsión en tensión, aún si los usuarios se encuentran dentro de los límites de generación armónica en corriente.

75

Figura 48. Procedimiento general para la evaluación de armónicos. Tomado de la Figura 4.1.1 de la guía.

4.3 NORMA ANSI/IEEEC57.110-1986 “RECOMMENDED PRACTICE FOR ESTABLISHING TRANSFORMER CAPABILITY WHEN SUPPLYING NONSINUSOIDAL LOAD CURRENTS”

La norma IEEE Std. C57.110-1986 provee una metodología relativamente

sencilla que permite, bajo ciertas suposiciones, y a través de los resultados de ensayo de rutina de un transformador, determinar la capacidad de un transformador para abastecer una corriente con un contenido armónico determinado.

El método se basa en la estimación de las pérdidas adicionales en los conductores y en otras partes conductoras, para el espectro armónico de las corrientes, considerando que las primeras varían con el cuadrado de la frecuencia, y las

76

segundas con la frecuencia elevada a un exponente 0,8. A tal efecto se aplican los coeficientes de aumento de pérdidas adicionales a igual corriente eficaz en los conductores FHL y en otras partes conductoras FHL_STR:

∑

∑

∑

∑====

−−

−h

h

hh

adoc

adocSTRHL

hh

hh

adc

adcHL I

hIF

I

hIF

PP

PP

2

8.02

0

2

22

0

;

Si la distorsión de la corriente de carga excede el 5%, es necesario efectuar una reducción de la capacidad nominal del transformador (derating).

Esta norma establece métodos para determinar el porcentaje de carga a que puede someterse un transformador cuando alimenta cargas no lineales.

Para el caso de este trabajo no aplicaría esta norma pues esta se limita a transformadores que no son fabricados para alimentar cargas no lineales, es decir con factor K de 1, los transformadores bajo análisis son del tipo especial, con factor K igual 13 en ambos casos.

77

5. DESCRIPCIÓN FUNCIONAL BÁSICA DEL SISTEMA ELÉCTRICO DEL MOLINO 4.

5.1. DESCRIPCIÓN BÁSICA DEL SISTEMA ELÉCTRICO GENERAL DE LA PLANTA SMURFIT KAPPA CARTÓN DE COLOMBIA La subestación Principal 115/13,2kV posee dos bahías de transformador, conectadas en configuración de barraje sencillo mediante el cual se realiza la interconexión del sistema eléctrico de la fábrica de Smurfit Kappa Cartón de Colombia en Yumbo con el Sistema de Transmisión Regional operado por la Empresa de Energía del Pacífico S.A. – E.S.P., EPSA. Figura 49. Fotografía bahías de transformadores Cartón Colombia.

El Barraje Principal a 13,2kV de la fábrica, en configuración barraje sencillo seccionado, está conformado por las secciones A, B y C. La sección A posee nueve (9) bahías: Seis (6) de ellas de transformación (2A-1, 2A-2, 2A-3, 2A-4, 2A-12 y 2A-10) y tres (3) de distribución (2A-11, 2A-5, 2A-9). La sección B posee tres (3) bahías: Una (1) de transformación (2B-1) y dos (2) de distribución (2B-2 y 2B-3). La sección C posee cuatro (4) bahías de distribución (2C-4, 2C-5, 2C-6 y 2C-7). 5.1.1 Desarrollo de la subestación principal. La subestación Principal 115/13,2 kV está localizada en el sector centro-sur de la fábrica de Smurfit Kappa Cartón de Colombia en Yumbo. Dicha subestación Principal tiene configuración de barraje sencillo, con los siguientes componentes:

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• Una bahía de transformación T1-1 que recibe generación desde los turbogeneradores TG1 instalado en el lado de 13200 Vca y TG3 instalado en el lado de 4160 Vca. A partir de julio de 2009 recibirá generación desde el futuro turbogenerador TG4 a instalar en el lado de 13200 Vca. • Compuesta por equipo de maniobra tipo exterior a 115 kV y transformador de potencia 33.25 MVA, 115/13.2 kV. • Una bahía de transformación T1-2 para atender la Planta de Corrugado y el Chipper. • Compuesta por equipo de maniobra tipo exterior a 115 kV y transformador de potencia 33.25 MVA, 115/13.2 kV. • Una bahía de transformación T1-3, actualmente fuera de servicio. • Compuesta por equipo de maniobra tipo exterior a 115 kV. La subestación Principal 115/13,2 kV tiene un sistema de control convencional con arquitectura funcionalmente distribuida y físicamente concentrada en el edificio de control. 5.1.2 Construcción de la subestación. La subestación Principal 115/13,2 kV se conecta al sistema regional a través de línea a 115 kV, quedando interconectada con la subestación Guachal (EPSA). Las bahías a 115 kV cuentan con equipos suministrados por SIEMENS. Tabla 7. Equipos de 115 kV

TYPE SR 16201 seccionador sdcem 3AF interruptor tripolar de mando tripolar – siemens PTD H43/590689.001

descargadores de sobretensión tipo 3ep siemens

URS-36 transformador de tensión arteche CRE-36 transformador de corriente arteche

Las principales características de los equipos instalados en la subestación Principal 115/13,2 kV se describen a continuación: � Interruptores. Los interruptores suministrados son SIEMENS tipo 3AF, de 1500 A, 5000 MVAsc, 115 kV, aplicación exterior, de mando tripolar, con mecanismo de accionamiento por resorte y extinción del arco en SF6.

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� Seccionadores: Los seccionadores son SDCEM tipo SR 16201. � Transformadores de corriente: Los transformadores de corriente suministrados son ARTECHE tipo CRE-36. � Las relaciones de transformación, capacidad de los devanados y precisión se indican en el diagrama unifilar, documento No. 4210002 � Transformadores de tensión: Los transformadores de tensión suministrados para las bahías de transformación y la barra de 115 kV son ARTECHE tipo URS-36. Las relaciones de transformación, capacidad de los devanados y precisión se indican en el diagrama unifilar, documento No. 4210002. � Descargadores de sobretensión: Los descargadores de sobretensión instalados son SIEMENS tipo 3EP4 096-2PL3 de óxido de zinc. Figura 50. Fotografía interruptor y seccionador (115kV), Cartón Colombia

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La fábrica de Smurfit Kappa Cartón de Colombia en Yumbo, posee una generación propia de 17.500kW (Los Turbogeneradores TG1 de 8.500kW y TG3 de 9.000kW) y compra al Sistema Interconectado Nacional 22.500kW, para atender la demanda total de 40.000kW. 5.2 DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO DEL MOLINO 4 El molino 4 está conectado a las secciones A y B. La sección A (barraje 2A 13.2kV) posee tres (3) bahías para este molino: las cuales son de transformación (2A-4, 2A-10 y 2A-12). La sección B (barraje TMP 13.2kV) posee una (1) bahías (2B-3) de distribución en el cual está conectado el barraje (13.2kV), donde está la bahía de transformación (4B-4) y una bahía (1) de distribución (4B-5) en la cual están conectados los drives AC y el HCR del molino. Figura 51. Subestación principal barraje 2A y 2B

81

Figura 52. Subestación TMP barraje 4B

En el estudio de distorsión armónica y factor de potencia en la red de alimentación del molino 4 que llevamos a cabo analizamos la bahía del interruptor 2A-10 el cual controla los drives DC del molino. Figura 53. DPU 2000R e interruptor 2A-10 Drives DC del Molino

También analizamos el interruptor 4B-4 que controla los drives AC del molino.

82

Figura 54. DPU 2000R e interruptor 4B-4 Drives AC del Molino.

5.2.1 Bahía 2A-10 (drives DC del molino 4). En esta bahía de transformación se encuentra el interruptor 2A-10 marca Cutler Hammer de 1200A y una DPU 2000R Figura 5.6 En la siguiente tabla podemos observar los datos técnicos más relevantes del interruptor.

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Tabla 8. Datos técnicos interruptor 2A-10 UBICACIÓN DESCRIPCIÓN NOMBRE AMP.[A] KAcc MARCA TIPO

S/E PPAL 2A-10 SISTEMA BARRAJE

2A 1200 37 C.H

150 Vcp-W 1000

En esta bahía está conectado el transformador T3-18 figura 5.9 al cual se le realizo el estudio de armónicos en el lado de baja. Figura 55. Datos de placa transformador T3-18.

Tabla 9. Datos técnicos transformador T3-18

PLANTA NOMBRE UBICACIÓN TENSION KVA TIPO MARCA No DE SERIE

AÑO FABRIC

MIRILLA DE INSPECCIÓN

M4 T3-18 FESB03 13200/440 2000 SECO WESTINGHOUSE 03925-1-1 1993 SI

En este transformador T3-18 en el lado de baja está conectado el interruptor de 3000A General Electric que conecta los barrajes de 460 V que alimentan los drives DC del molino 4 (ver figura 5.9).

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Figura 56. Interruptor 3000A que alimenta los barrajes de drives DC del molino.

Tabla 10. Interruptor 3000A que alimenta los barrajes DC del molino.

UBICACIÓN NOMBRE TRAFO ASOCIADO AMP.[A] KAcc MARCA

M4SB11 TOTALIZADOR

DRIVE DC Y ENRRO.

T3-18 3000 100 G. E

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Las cargas conectadas a los barrajes de 460V del transformador T3-18 se encuentran en la siguiente tabla. Tabla 11. Cargas conectadas al barraje del transformador T3-18

Figura 57. Drive enrolladora.

UBICACIÓN

TECNICA DENOMINACION In CARGA M4M310 COUCH ROLL 530 210 M4M306 WIRE ROLL 990 485 M4M101 FAN PUMP 1 1125 998 M4M105 FAN PUMP 2 748 720

CALAN 0 LLANTA CORTA COLA 0 ENRROLLADORA 175

TOTAL 2588

INTERRUPTOR GE 3000 A 2580

2A10 75

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Figura 58. Interruptor 600A y drive enrolladora.

Figura 59. Interruptor 500A drive wire roll

5.2.2 Bahía 4B-4 (drive AC del molino 4). En esta bahía de transformación se encuentra el interruptor 4B-4 marca ABB de 1200A y una DPU 2000R Figura 5.7 En la siguiente tabla podemos observar los datos técnicos más relevantes del interruptor.

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Tabla 12. Datos técnicos interruptor 4B-4 UBICACIÓN DESCRIPCIÓN NOMBRE AMP.[A] KAcc MARCA TIPO

S/E TMP 4B-4 SIST BAR REFINA

TMP 1200 28 ABB

HPA 15/122-

8C En esta bahía está conectado el transformador T3-23 figura 5.16 al cual se le realizo el estudio de armónicos en el lado de baja. Figura 60. Datos de placa transformador T3-23

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Tabla 13. Datos técnicos transformador T3-23

PLANTA NOMBRE UBICACIÓN TENSION KVA TIPO MARCA No DE SERIE

AÑO FABRIC

MIRILLA DE INSPECCIÓN

M4 T3-23 FESB15 13200/440 2500 SECO GE P107303 2001 SI

En este transformador T3-23 en el lado de baja está conectado el interruptor de 3200A Cutler-Hammer que conecta el barrajes de 460 V que alimentan los drives AC del molino 4 (ver figura 5.14). Figura 61. Interruptor 3200A que alimenta los barrajes de drives AC del molino.

Tabla 14. Interruptor 3200A que alimenta los barrajes AC del molino. En este barraje de 460V están conectadas dos bahías de distribución en las cuales se ubican los interruptores de 3200A que manejan los drives AC del molino y el interruptor de 1600A en el cual no se encuentran ninguna carga en el momento, ambos interruptores son marca Cutler-Hammer.


M4SB13 TOTALIZADOR DRIVES EURO T3-23 3200 85 C.H

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Tabla 15. Interruptor 3200A y 1600A del barraje de 460V de los drives AC. Figura 62. Interruptor 3200A que alimenta los drives AC del molino.

Figura 63. Interruptor 1600A que se encuentra abierto sin carga.

Las cargas conectadas a los barrajes de 460V de los drives AC del molino 4 donde se ubica el transformador T3-23 se encuentran en la siguiente tabla.


M4SB13 DRIVES T3-23 3200 65 C. H

M4SB13 ENROLLADORA T3-23 1600 65 C. H

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Tabla 16. Cargas conectadas a los barrajes de 460V de los drives AC del molino 4 Ubicación técnica Denominación Inom Carga

M4P307 Pick-up roll 60 35,8 M4P313 Transfer roll 60 54,2 M4RF19 Prensa hcr 442 400 M4RF27 Uniflow feeder 13.7 9 M4RF37 Ajuste de platos refinador hcr PARADO 0 M4P310 Transmisión rodillo inferior prensa 1 339 110 M4P309 Transmisión rodillo superior prensa 1 225 150 M4P323 Transmisión 2 rodillo inferior prensa 2 339 270 M4P317 Transmisión 1 rodillo inferior prensa 2 339 150 M4S130 Secador 1 48.5 18,6 M4S131 Transmisión 1 sección de secadores 225 170 M4S219 Transmisión 2 sección de secadores 339 105 M4S316 Transmisión unidad clupak 225 125 M4S304 Transmisión 3 sección de secadores 168 54,3 M4S417 Transmisión 4 sección de secadores 225 65 M4CA19 Transmisión calan reel 168 65

Figura 64. Interruptor 1600A de los CCMS 02, 03 (HCR), 11(Prensas).

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Figura 65. Interruptores de los motores de prensas, secadores, clupak, pope reel.

En las siguientes figuras podemos observas las diferentes cargas conectadas a los transformadores T3-18 (drives DC) y T3-23 (drives AC) del molino 4. Figura 66. Motores de la transmisión de secadores conectados al barraje de los drives AC.

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Figura 67. Motores de la unidad clupak y el pope reel conectados al barraje de los drives AC.

Figura 68. Motores conectados al barraje de los drives AC.

Figura 69. Motor de la Fan Pump N°2 conectados al barraje de los drives DC.

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Figura 70. Placa característica de algunos motores sincrónicos del molino.

Figura 71. Motores con cargas importantes del molino.

5.2.3 Mantenimiento predictivo (termografía infrarroja) realizado a transformadores e interruptores del molino 4. En el mantenimiento predictivo programado en las rutas mensuales de termo grafía de Cartón de Colombia están programados los transformadores e interruptores antes mencionados en el capítulo 5 de este trabajo de grado. Puesto que mediante la inspección termográfica se pueden identificar síntomas (altas temperaturas) debido a problemas con armónicos en la red.

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Figura 72. Termografía efectuada al transformador T3-18.

Figura 73. Termografía efectuada a los interruptores de los drives DC

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Figura 74. Termografía efectuada a los interruptores de los drives DC.

Figura 75. Termografía efectuada a los interruptores de los drives AC

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Figura 76. Banco de capacitores del molino 4.

Figura 77. Termografía efectuada al banco de capacitores del molino

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Figura 78. Termografía efectuada al transformador T3-23

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6. RESULTADOS DE LA MEDICIÓN DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS EN EL MOLINO 4

6.1 METODOLOGÍA PARA LA MEDICIÓN DE ARMÓNICOS Para la ejecución de las mediciones, se emplearon dos equipos analizadores digitales marca DRANETZ referencia VISA Figura 6.1. El cual registra componentes armónicas con frecuencias de hasta 50 veces la frecuencia fundamental (60Hz), equipados con ocho (8) canales de entrada: cuatro (4) para tensión y cuatro (4) para corriente. Permite además medir todos los parámetros de interés en un circuito eléctrico, tales como tensión, corriente, frecuencia, factor de potencia, potencias (aparente, activa y reactiva) y energías consumidas, entre otros. El equipo cuenta con sistema de memoria que permite el manejo y almacenamiento de la información para luego ser transmitida a un computador personal para su procesamiento y análisis. Estos equipos han sido proporcionados por la firma de ingenieros consultores GERS, como parte del servicio por contrato que tiene con el departamento eléctrico y potencia de Smurfit Kappa Cartón de Colombia. Figura 78. Equipo de medición de armónicos Dranetz Visa

Se tomó registro de los parámetros mencionados en los dos tableros que alimentan los instrumentos de control y medida de los dos transformadores; ubicados ambos en el cuarto eléctrico de la zona húmeda del Molino 4; las mediciones se realizaron simultáneamente entre los días 20 al 23 de marzo de 2009, con un intervalo de registro de un (10) minutos entre cada captura. Este intervalo de tiempo se calcula dependiendo de la memoria disponible del equipo y los días los cuales se quieran tomar medición sin interrupción . La Tabla 6.1 describe el punto de medición, así como la fecha, los intervalos de medida y los periodos de captura en el punto medido.

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Figura 79. Conexiones físicas del equipo al sistema, lado de baja de los transformadores de corriente

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Figura 80. Instalación del equipo Dranetz para medición de armónicos

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Inicialmente se procedió a la revisión de toda la información bibliográfica aplicable y disponible en la planta de SKCC, en particular, proyectos realizados sobre el

sistema eléctrico del Molino 4 e información de las normas eléctricas aplicables. Posteriormente, la información bibliográfica se validó y completó mediante entrevistas con el Director Académico del proyecto y se definió el esquema para mediciones en campo. Paralelamente a la recopilación se realizó un análisis de la información, con el objeto de clasificarla, ordenarla y determinar su utilización. La información básica se relaciona a continuación: • Diagrama unifilar. • Información de transformadores (ver tablas 5.2 y 5.6). • Información de enlaces. • Esquemas típicos de operación. Esta información se recogió en las entrevistas con el ingeniero de mantenimiento y operarios de la planta (ver capítulo 1). • Ubicación y características de bancos de condensadores. • Niveles típicos de carga en cada uno de los transformadores de la planta. Una vez definidos de común acuerdo los puntos a medir, los equipos a utilizar y el tipo de conexión para la realización de las mediciones, se contrató con una empresa local la realización de las mediciones. Si bien nuestra participación fue el acompañamiento del montaje y puesta a medición de los equipos en las instalaciones del Molino 4 Se requirió, en todo caso, la colaboración permanente del Ingeniero electricista de mantenimiento de la planta para con su ayuda ubicar en planos y en campo los puntos de conexión y para garantizar que los circuitos medidos cumplieran con las condiciones de carga necesarias para el desarrollo del proyecto. El ingeniero encargado de la labor de medición procedió a la configuración del equipo y a la programación del software con las características propias y necesarias de la planta del Molino 4. Para cada punto de conexión de los equipos fue necesario realizar los siguientes registros: • Medición de parámetros eléctricos según esquema predefinido, registrando Tensiones, Corrientes, Factor de Potencia, Potencias y Distorsiones Armónicas en las señales de Potencia.

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• Los parámetros se programan para su medición, teniendo en cuenta la necesidad de memoria del equipo de medida. • La programación de los registros se hace por medio del software propio del equipo de medida. (Ver manual de programación de equipo Dranetz incluido en el Anexo B). • La ejecución de las mediciones empieza una vez definidos los puntos a medir, la configuración de conexión del equipo y una vez hecha la programación de los parámetros que se desean registrar. Las señales de tensión pueden suministrarse a los equipos registradores directamente del sistema si la tensión nominal es menor o igual a 600 V. Para tensiones superiores se requiere la utilización de transformadores de potencial (TP's), cuyas relaciones de transformación se programan en el equipo, el cual convierte los valores medidos en magnitudes primarias. Las señales de corriente se alimentan al equipo a través de pinzas amperimétricas del tipo CLAMP-ON, las cuales se instalan ya sea en el secundario de los transformadores de corriente (TC’s) dispuestos en cada sitio para la medición o directamente sobre conductores aislados. Cuando no es posible conectar pinzas amperimétricas para la medición de los circuitos, se hace necesaria la conexión en serie de las señales de corriente del equipo con las señales de corriente secundarias de los TC´s, labor para la cual se deben cortocircuitar dichas señales para evitar el daño en los transformadores de corriente y luego hacer la conexión del equipo de registro. Una vez terminada la conexión del equipo se deben retirar los puentes utilizados para cortocircuitar los TC´s. El equipo registrador almacena los registros en una base de datos propia del software del equipo, la cual se convirtió a una hoja electrónica para permitir su manejo y mejor presentación de los resultados. Ver Anexo D Las Tablas con las cuales se procedió a elaborar el informe final son las siguientes: • Tablas con los puntos de medición. • Tablas con valores máximos, mínimos y promedios de parámetros eléctricos. • Tabla con valores máximos, mínimos y promedios de los niveles de Distorsión armónica de Tensiones y Corrientes • Tabla con las variaciones máximas, mínimas y promedios de Tensiones con respecto a los Tensiones Nominales • Tabla de desbalances de Tensiones y Corrientes

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• Tablas del nivel de Cargabilidad máximas de los transformadores y puntos medidos Una vez procesada toda la información y realizadas las tablas y gráficas, se procedió con el análisis de dicha información teniendo en la cuenta los siguientes aspectos básicos: • Niveles en las señales eléctricas. • Análisis de las potencias Activa, Reactiva y Aparente, teniendo en cuenta el esquema de operación del punto analizado. • Análisis del factor de potencia. Los TC's empleados para las mediciones muestran realmente lo que hay en el sistema respecto a los niveles de contaminación armónica, las pinzas amperimétricas del tipo CLAMP-ON, que vienen con cualquier equipo de medición de armónicos son del tipo TRUE RMS y este es el caso de los Dranetz. Tabla 17. Puntos de medición de parámetros eléctricos

Medida Fecha Intervalo de Medición

Tiempo entre cada captura

Punto de Medición y Observaciones

1 2009-20-03 13:20 10 min. Tablero de instrumentos de medición

2 2009-23-03 23:30 10 min. Tablero de instrumentos de medición

Se registró la curva de carga en los totalizadores del lado de baja de los transformadores No.1 de 2500kVA marcado como T3-23 y el transformador No 2 de 2000kVA marcado como T3-18 que alimentan los drives AC y DC respectivamente más importantes del Molino 4 y que son los que más aportan armónicos a la red del sistema eléctrico. Estas mediciones se tomaron como se observa en la figura 6.2 en cada uno de los tableros de control de lado de baja de cada transformador, las mediciones de corriente se observan con transformadores de corriente en cada línea hay que resaltar que estos transformadores son proporcionados por el mismo equipo y que no proporcionan ruido como armónicos a la medición por su buena linealización 6.2 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS MEDICIONES Los resultados de las mediciones se presentan en adelante como datos tabulados, que describen el comportamiento eléctrico general de los puntos bajo estudio. A partir de estos resultados se realizo un análisis relacionando el comportamiento de

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cada uno de los parámetros de interés, como tensiones, corrientes, factor de potencia, los niveles de distorsión armónica y armónicos individuales. A continuación se presentan los resultados obtenidos en la medición de los parámetros eléctricos realizados entre los días 20 al 23 de Marzo de 2009 en los transformadores T3-18 de 2000kVA que alimentan los drives DC del Molino 4 y el transformador T3-23 de 2500kVA que alimenta los drives AC del Molino 4. La tabla 6.2 presenta los valores máximos, promedios y mínimos de tensión y corriente registrados en el lado de baja (480VAC) de los dos transformadores bajo estudio. Es importante resaltar que en todas las tablas donde se presentan valores máximos, mínimos y promedios, estos son independientes para cada uno de los ítems evaluados y no necesariamente son simultáneos en el tiempo con los respectivos valores de las demás columnas. Tabla 18. Valores máximo, promedio y mínimo de los Parámetros r.m.s. registrados

Tensión (V) Corrientes (A) Puntos de medición lado de baja tensión Vab Vbc Vca Ia Ib Ic

Máx. 470,9 471,6 471,0 2524,5 2706,2 2570,6 Prom. 460,2 461,2 460,6 1956,9 2103,7 1987,4 T3-23 (2500kVA) Mín. 452,5 453,3 452,6 1067,6 1147,4 1085,5 Máx. 470,7 473,1 474,6 2217,4 2238,6 2294,2

Prom. 463,2 465,3 466,8 1731,0 1755,1 1809,8 T3-18 (2000kVA) Mín. 456,2 458,4 459,8 1049,7 1067,3 1100,1

Los registros obtenidos de estas variables se muestran gráficamente en el Anexo A. En la tabla 6.3 presentamos la variación de los voltajes en función del valor nominal para los devanados del lado de baja tensión de los dos transformadores. Tabla 19. Valores máximo, promedio y mínimo de las variaciones de tensión

Tensión (%) Puntos de medición Lado de baja tensión Máx. Prom. Mín.

T3-23 2500kVA 1.657 -0.248 -2.460

T3-18 2000kVA 0.833 -1.453 -3.076

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De acuerdo con la Tabla 6.3, durante las mediciones, las variaciones de tensión estuvieron dentro de los límites recomendados por la Norma Técnica Colombiana 1340 la cual establece la regulación de tensión en estado estacionario a 60Hz y sus variaciones permisibles, e indica tolerancias de +5% y -10%. Los valores de tensión estuvieron muy cercanos al valor nominal. Otra medida importante para determinar la calidad de potencia dentro de una planta es el desbalance entre tensiones el cual se calcula como:

Esta ecuación da una idea de la diferencia que existe entre las tensiones de línea para el mismo instante de tiempo. El desequilibrio de Tensiones en un sistema eléctrico ocurre cuando las tensiones entre las tres líneas no son iguales y puede ser definido como la desviación máxima respecto al valor promedio de las tensiones de línea, dividida entre el promedio de las tensiones de línea, expresado en porcentaje. De igual forma se calculan los desbalances de corriente que se presentan en la tabla 6.4 siguiente: Tabla 20. Valores máximo, promedio y mínimo de los desbalances de tensión y corriente calculados.

Tensión (%) Corrientes (%) Puntos de medición Máx. Prom. Mín. Máx. Prom. Mín.

Lado de baja T3-23 2500kVA 0.151 0.082 0.016 4.994 4.380 3.449

Lado de baja T3-18 2000kVA 0.405 0.282 0.172 2.317 0.710 1.110

Los desbalances de corriente pueden ocasionar problemas como la circulación de altas corrientes por el neutro que se traduce en pérdidas de energía y la aparición de sobre-calentamiento en los conductores, entre otros, por tal motivo no es conveniente que existan altos niveles de desbalances dentro de un sistema eléctrico. De acuerdo a la tabla 6.4 durante la medición en los transformadores T3-18 y T3-23, que alimentan respectivamente los drives DC y AC del Molino 4, los desbalances de tensión no superaron el 5% recomendado por la norma NTC-

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1340. Los desbalances de corriente fueron inferiores al 10%, límite admisible de acuerdo con el estándar IEEE 344 de 1987, durante todos los periodos medidos. 6.2.1 Factor de potencia. El análisis del factor de potencia al interior de un sistema eléctrico industrial está relacionado con la eficiencia del mismo. Normalmente el interés se fija en el análisis del factor de potencia global porque genera sobrecostos en la facturación de energía. El factor de potencia mínimo permisible de la carga conectada, en nivel superior a 1kV es el establecido en el Artículo 25 de la Resolución CREG 108 de 1997 “Control al Factor de Potencia en el Servicio de Energía Eléctrica ”, el cual recomienda como valor permisible 0.9. Tabla 21. Valores máximo, promedio y mínimo de los Parámetros r.m.s. registrados de FP, y las potencias.

kW kVAr kVA FP Puntos de medición lado de baja tensión 3Φ 3Φ 3Φ 3Φ

Máx. 1821,7 883,2 2024,5 0,910 Prom. 1425,1 696,9 1586,6 0,898 T3-23 (2500kVA) Mín. 743,0 450,3 876,4 0,846 Máx. 1377,9 1085,5 1748,7 0,835

Prom. 914,1 986,0 1352,3 0,666 T3-18 (2000kVA) Mín. 482,0 585,5 807,1 0,528

En el transformador T3-23 de 2500kVA se registró un factor de potencia promedio aproximado de 0.9 cumpliendo de esa manera con lo recomendado por la CREG. En el transformador T3-18 de 2000kVA se presentaron valores deficientes de factor de potencia esto es debido a la baja cargabilidad del transformador durante el período de la medición. Cayendo hasta un valor promedio de aproximadamente 0.7, incumpliendo así lo recomendado por el Artículo 25 de la Resolución CREG 108 de 1997, en donde se recomienda un factor de potencia no menor a 0.9. 6.2.2 Distorsión armónica total registrada. En el Anexo A se presentan los perfiles gráficos de Distorsión Armónica Total (THD) en tensiones y corrientes para cada uno de los puntos de medición.

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EI THD es una medida del contenido de armónicos en una señal de tensión o corriente y según la norma IEEE 519 de 1992 se define como:

� THDv Distorsión Armónica Total en la señal de voltaje. � THDi Distorsión Armónica Total en la señal de corriente. � Vi Magnitud RMS del armónico i de la señal de voltaje. � Ii Magnitud RMS del armónico i de la señal de corriente. � V1 Magnitud RMS de la componente fundamental de la señal de voltaje. � I1 Magnitud RMS de la componente fundamental de la señal de corriente. 6.2.3 THD en tensión. La Tabla 6.6 presenta los resultados de las mediciones de THD en tensión. El límite de THD en tensión recomendado por la norma IEEE 519-92, para tensiones inferiores a 69kV es del 5%. Para ambos transformadores, en el lado de baja, el valor promedio de THD en tensión registrado superó dicho límite, para el transformador T3-23 de 2500kVA no es crítico pues sólo lo sobrepasa en un 0,07% del valor límite, pero en el caso del transformador T3-18 de 2000kVA es considerable, pues, el valor promedio está 3,46% por encima del valor límite indicado en la norma. Tabla 22. Valores máximo, promedio y mínimo de THD en tensión y THD en corriente

THD en Tensión (%) THD en Corriente (%) Puntos de medición Máx. Prom. Mín. Máx. Prom. Mín.

Lado de baja T3-23 2500kVA 5,90 5,07 2,81 21.46 15.86 12.68

Lado de baja T3-18 2000kVA 10,96 8,46 5,16 37.67 28.86 21.11

6.2.4 THD en corriente. Para evaluar el contenido de armónicos en corriente en los diferentes puntos de medición, se utilizan los siguientes métodos de la norma IEEE Std 519 - 1992. ►A. Circuitos asociados a barrajes. La norma IEEE Std. 519-1992 establece que la distorsión armónica total en las señales de corriente que un usuario puede inyectar a la red, depende de la relación existente entre Icc e In, donde Icc es la

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corriente de cortocircuito trifásica e In es la corriente de demanda máxima. En las tablas indicadas en la norma IEEE 519-92 (Tablas 2.1, 2.2 y la 2.3) aparecen los niveles máximos de TDD en corriente permitidos de acuerdo a la relación Icc/In. ►B. Transformadores de Potencia. Para el caso de los puntos de medición asociados a transformadores de potencia, se verifica que la distorsión de demanda total (TDD) de la corriente de plena carga no exceda el 5%, tal como lo establece la norma ANSI_IEEE C57.12-00-1980. Dicha verificación se hace con el THD máximo registrado, el cual se refiere en función de la corriente para ese instante y la corriente máxima durante la medición en el transformador. EI nuevo TDD que se calcula como lo expresa la formula siguiente, no debe superar el 5% recomendado por la norma.

La formula anterior permite estimar el TDD, suponiendo que se da un crecimiento de la carga hasta la capacidad nominal del transformador evaluado, pero sin contenido armónico adicional. Tabla 23. Valores máximo, promedio y mínimo de TDD en corriente calculados

TDD en Corriente (%) Puntos de medición Máx. Prom. Mín.

Lado de baja T3-23 2500kVA 7.33 5.36 4.27

Lado de baja T3-18 2000kVA 1.13 0.47 0.19

►C. Adicionalmente para el caso de evaluación de cargas con aplicación de convertidores y en especial el tipo de cargas del transformador No. 1 que alimenta los drives DC, la guía de aplicación de límites para armónicos en sistemas de potencia de la IEEE de 1999 "Guide for Applying Harmonic Limits on Power Systems P519A/D6. La tabla 6.8, establece que el contenido de armónicos característico de este tipo de cargas y que presentan una forma de onda típica como la que se presenta en la tabla es del 80%.

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Igualmente para el transformador No. 2 que alimenta los drives AC de Molino 4 y cuya forma de onda característica se presenta en la guía de aplicación de límites para armónicos en sistemas de potencia de la IEEE de 1999 "Guide for Applying Harmonic Limits on Power Systems P519A/6", Tabla 6.8, establece un contenido de distorsión armónica característico (THD) del 40%. De acuerdo con estos tres métodos para la evaluación de las distorsiones armónicas encontradas en cada punto de medición se pueden realizar tres evaluaciones diferentes: Para la evaluación con el primer método se utilizan los niveles de Cortocircuito, para efectos de este estudio no se tuvo en cuenta este método. Igualmente de acuerdo al método de evaluación de la norma ANSI/IEEE C57.12-00-1.980 a la que se refiere el numeral B, el transformador T3-18 cumple con la recomendación mientras que el transformador T3-23 que alimenta los Drives AC no cumple con el 5% de distorsión armónica establecido por dicha norma, sin embargo se debe tener en cuenta que los fabricantes de transformadores consideran el contenido de distorsión armónica al que estarán sometidos su equipos, por tal motivo los transformadores son dimensionados con especificaciones diferentes de acuerdo con los requerimientos de sus clientes. De acuerdo con el tercer método de evaluación sobre contenido de distorsión armónica la cual utiliza en la guía de aplicación de límites para armónicos en sistemas de potencia de la IEEE de 1999 "Guide for Applying Harmonic Limits on Power Systems P519A/D6 ". De acuerdo con los datos de la tabla 6.6, el transformador T3-23 de 2500kVA que alimenta los drives AC de Molino 4 presenta una distorsión armónica total del 15.86%, la cual está dentro de los valores (80%) presentados por la guía para este tipo de cargas con convertidores estáticos. Para la evaluación con el primer método se utilizan los niveles de cortocircuito, para efectos de este estudio no se tuvo en cuenta este método puesto que se emplearon datos directos de entrada Igualmente el transformador T3-18 de 2000kVA que alimenta los drives DC presenta una distorsión armónica promedio (TDD) de 28.86% que se encuentra dentro del rango de valores esperados (40%) para este tipo de cargas con variadores estáticos. La norma IEEE 519-92 es una recomendación para regular el contenido de armónicos y por lo tanto su violación no implica que los sistemas eléctricos no puedan operar bajo esas condiciones. Sin embargo el dimensionamiento de los transformadores que alimentan este tipo de cargas armónicas deben estar

110

diseñados con un factor "K" que considera el sobrecalentamiento al que estarán sometidos por causa de las cargas no lineales que generan armónicos como es el caso de este estudio. De acuerdo con las mediciones y las condiciones de armónicos registradas en los transformadores T3-23 de 2500 kVA y T3-18 de 2000 kVA, que alimentan los Drives AC y DC respectivamente del Molino 4 es necesario evaluar sus condiciones de carga para garantizar que los transformadores no sean operados por encima de la potencia recomendada de acuerdo con el contenido de armónicos presentes, es decir que no se produzcan sobre esfuerzos térmicos que deterioren la máquina. Para el transformador T3-23 de 2500kVA, la cargabilidad máxima registrada durante las mediciones realizadas entre los días 20 al 23 de marzo de 2009 fue del 82%, (2024.5kVA) bajo esta condición de cargabilidad el transformador registró un factor "K" de 1.59, este valor es inferior al dato nominal, tomado de la placa del transformador el cual fue diseñado con un factor "K" de 13, esto implica que con las condiciones de contenido armónico registrado el transformador no sufrirá calentamiento ni sobreesfuerzos térmicos a causa de los armónicos. Con base en lo anterior y con la corriente máxima calculada del 96% de la corriente nominal, en las condiciones de armónicos registradas el transformador se puede cargar hasta 2408.6kVA. Para el caso del transformador T3-18 de 2000kVA, la cargabilidad máxima registrada durante las mediciones realizadas entre los días 20 al 23 de marzo de 2009 fue del 87%, (1748.7kVA) bajo esta condición de cargabilidad el transformador registro un factor "K" de 2.29, este valor es inferior al dato nominal, tomado de la placa del transformador el cual fue diseñado con un factor "K" de 13, esto implica que con las condiciones de contenido armónico registrado el transformador no sufrirá calentamiento ni sobreesfuerzos térmicos a causa de los armónicos. Con base en lo anterior y con la corriente máxima calculada del 92.5% de la corriente nominal, en las condiciones de armónicos registradas el transformador se puede cargar hasta 1851kVA. EI armónico predominante tanto en tensión como en corriente para el transformador T3-23 es el 5to (17.12%I – 3.87%V), seguido del 7mo (5.81% I – 1.93%V), es importante también la presencia en este transformador del armónico undécimo (11) en corriente y del decimoséptimo (17) en tensión. En el transformador T3-18 los armónicos individuales predominantes en corriente son el 5to (34.77% I) y el 7mo (6.57% I) seguidos del undécimo (11). En tensión

111

los armónicos individuales predominantes son el 5to (5.85%V) y el undécimo (11) (2.09%v) seguidos del 7mo. Los armónicos individuales registrados en ambos transformadores son característicos de cargas no lineales con convertidores de seis (6) pulsos y sus formas de onda característica se presentan en la tabla 6.8. Como se expresó anteriormente la distorsión armónica es un parámetro indeseable dentro de un sistema eléctrico, sin embargo su presencia no implica que los equipos no puedan operar normalmente. Igualmente la presencia de frecuencias armónicas individuales no son perjudiciales al sistema mientras no existan conectados a sus mismos barrajes cargas tales como bancos de condensadores que puedan presentar el fenómeno de resonancia ante dichas corrientes o tensiones armónicas. Tabla 24 Factor de peso para diferentes tipos de armónicos producido por las cargas. Tomada de la Tabla 4.1.1 Norma IEEE 1999 P519A/D6

112

7. CONCLUSIONES

De acuerdo con los resultados de las mediciones, se tienen las siguientes conclusiones: Las tensiones registradas en los dos transformadores medidos fueron regularmente estables y en ninguno de los casos se superó los límites de regulación del (+5% y-10%), recomendados por la Norma Técnica Colombiana NTC 1340. En ninguno de los transformadores se presentan desbalances de tensión superiores al 1%, valor muy inferior al 5%, el cual es el límite máximo establecido por la Norma Técnica Colombiana NTC 1340. Los desbalances promedio registrados en corriente en el barraje secundario de los transformadores T3-18 de 2000kVA y el T3-23 de 2500kVA no superaron el 10% admisible técnicamente por la norma IEEE Std 344 de 1987. EI factor de potencia del transformador T3-18 se registró en 0.666, inferior a 0.90 recomendado por la norma, mientras que el T3-23 alcanza un valor promedio del factor de potencia igual a 0.9, sin embargo esto no es inconveniente para SMURFIT KAPPA CARTON DE COLOMBIA S.A. ya que dicha compensación se realiza aguas arriba o en otros barrajes diferentes a los dos transformadores del Molino 4 bajo análisis, sin tener en cuenta el exceso de pérdidas causadas en las acometidas. El límite de THD en tensión recomendado por la norma IEEE 519-92, para tensiones inferiores a 69kV es del 5%. Para ambos transformadores, en el lado de baja, el valor promedio de THD en tensión registrado superó dicho límite, para el transformador T3-23 no es crítico pues sólo lo sobrepasa en un 0,07% del valor límite, pero en el caso del transformador T3-18 es considerable, pues, el valor promedio está 3,46% por encima del valor límite indicado en la norma. Esta violación de los limites en el transformador No. 2 de los drives DC del Molino 4 está relacionada directamente con la presencia de corrientes de distorsión armónica del 5to, 7mo y undécimo (11). El transformador T3-23 de 2500kVA que alimenta los drives AC del Molino 4 presenta una distorsión armónica total en corriente del 15.86%, la cual está dentro de los valores (80%) presentados por la guía para este tipo de cargas con convertidores estáticos. El transformador T3-18 de 2000kVA que alimenta los drives DC presenta una distorsión armónica total promedio (THD) de 28.86% que se encuentra dentro del

113

rango de valores esperados para este tipo de cargas con variadores estáticos el cual es de un 40% para drives DC. De acuerdo al método de evaluación de la norma ANSI/IEEE C57.12-00-1.980 a la que se refiere el numeral B, el transformador T3-18 cumple con la recomendación ya que su valor calculado es de apenas 0.47% mientras que el transformador T3-23 que alimenta los Drives AC se calculó un TDD en corriente de 5.36% y no cumple con el 5% de distorsión armónica establecido por dicha norma.

114

8. RECOMENDACIONES

Para el transformador T3-23 de 2500kVA, la cargabilidad máxima registrada durante las mediciones realizadas entre los días 20 al 23 de marzo de 2009 fue del 82%, (2024.5kVA) bajo esta condición de cargabilidad el transformador registró un factor "K" de 1.59, este valor es inferior al dato nominal, tomado de la placa del transformador el cual fue diseñado con un factor "K" de 13, esto implica que con las condiciones de contenido armónico registrado el transformador no sufrirá calentamiento ni sobreesfuerzos térmicos a causa de los armónicos. Con base en lo anterior y con la corriente máxima calculada del 96% de la corriente nominal, en las condiciones de armónicos registradas el transformador se puede cargar hasta 2408.6kVA . El inconveniente de no poder cargar hasta su capacidad nominal los transformadores se debe a la distorsión armónica registrada. En caso de ser necesario aumentar la capacidad de carga del Molino 4, se recomienda, estudiar la utilización de filtros para llevar los valores de distorsión armónica que se encuentren dentro de los límites especificados por las normas, en especial la originada por los armónicos 5to, 7mo, y undécimo (11), característicos de la carga que manejan los transformadores bajo estudio. .

115

BIBLIOGRAFÍA

CREG. Control al Factor de Potencia en el Servicio de Energía Eléctrica Artículo 25 Resolución CREG 108-1997. DE LA ROSA, Francisco C. Harmonics and power systems: Harmonics (Electric waves). Taylor & Francis Group, LLC. 2006. 190 p. Epcos Elecond capacitores S.A.: Armónicas y corrección del Factor de potencia. [Consultado en Marzo 14 de 2009] Artículo técnico disponible en internet: http://www.elecond.com.ar IEEE. Standard for shunt power capacitors. IEEE Std. 18-1980. ARRILLAGA, J. BRADLEY, O.A. BODGER P.S. Power System Harmonics. John New Oelhi: Wiley & Sonso, 1985. 386 p. Norma técnica colombiana Regulación de tensión en estado estacionario a 60Hz y sus variaciones permisibles NTC 1340 .Colombia. MUÑOZ RAMOS, Alfredo. Calidad de la energía [en línea]. [Consultado en Marzo 28 de 2009] Artículo técnico disponible en internet: http://www.procobreperu.org/pubenergia.htm PEÑA PERAFÁN, R. Romero Sastoque, E. Tesis de grado “Análisis de armónicos y su reducción por filtros” Corporación Autónoma de Occidente, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Santiago de Cali, Colombia, 1996. Recommended practice for establishing transformer capability when supplying nonsinusoidal load currents. New York.: ANSI/IEEE, 1986. ANSI/IEEE Std C57.110- Recommended Practices for Harmonic Control in Power Systems. New York.: IEEE Standard, 1.992. IEEE Standard 519-1.992. Standard Terminology for Power and Distribution Transformers. New York.: ANSI/IEEE, 1978. ANSI/IEEEC57.12.80-1978.

116

ANEXOS

Anexo A. Resultados gráficos de los parámetros eléctricos registrados

A continuación se presentan la siguiente información:

• Perfil de tensiones de fase • Perfil de corrientes de fase • Perfil de potencias trifásicas • Perfil del factor de potencia trifásico • Perfil de THD de tensión y corrientes • Espectros armónicos de tensión y corriente.

GRÁFICOS TRANSFORMADOR T3-18 2000KVA

260,0

265,0

270,0

275,0

VO

LTAJ

E (V

)

TIEMPO (DD/ MM/ AA hh:mm)

PERFIL DE TENSIONES DE FASES

A Vrms Pro[Voltios]

B Vrms Pro[Voltios]

C Vrms Pro[Voltios]

117

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

CORR

IEN

TE (

A)


PERFIL DE CORRIENTE DE FASES

A Irms Pro[Amperios]

B Irms Pro[Amperios]

C Irms Pro[Amperios]

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

1400,0

1600,0

1800,0

2000,0

2200,0

POTE

NCI

AS 3φ


PERFIL DE POTENCIAS TRIFÁSICAS

Kw kVAR

kVA

118

0

2

4

6

8

10

12

14

THD

en

Tens

ión

(%)


PERFIL DE THD EN TESIÓN

A VTHD Pro[%]

B VTHD Pro[%]

C VTHD Pro[%]

119

0

5

10

15

20

25

30

35

40

THD

en

Corr

ient

e (%

)


PERFIL DE THD EN CORRIENTE

A ITHD Pro[%]

B ITHD Pro[%]

C ITHD Pro[%]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

(%) D

e la

Fun

dam

enta

l

Número armónico

Espectro armónico en tensión

Van

Vbn

Vcn

120

0

5

10

15

20

25

30

35

40

(%) D

e la

Fun

dam

enta

l

Número armónico

Espectro armónico en corriente

Ia

Ib

Ic

GRÁFICOS TRANSFORMADOR T3-23 2500KVA

250,0

255,0

260,0

265,0

270,0

275,0

VO

LTAJ

E (V

)


PERFIL DE TENSIONES DE FASES

A Vrms Pro[Voltios]

B Vrms Pro[Voltios]

C Vrms Pro[Voltios]

121

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

CORR

IEN

TE (

A)


PERFIL DE CORRIENTE DE FASES

A Irms Pro[Amperios]

B Irms Pro[Amperios]

C Irms Pro[Amperios]

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

1400,0

1600,0

1800,0

2000,0

2200,0

POTE

NCI

AS 3φ


PERFIL DE POTENCIAS TRIFÁSICAS

Kw kVAR

kVA

122

0

2

4

6

8

10

12

14

THD

en

Tens

ión

(%)


PERFIL DE THD EN TESIÓN

A VTHD Pro[%]

B VTHD Pro[%]

C VTHD Pro[%]

123

0

5

10

15

20

25

30

35

40

THD

en

Corr

ient

e (%

)


PERFIL DE THD EN CORRIENTE

A ITHD Pro[%]

B ITHD Pro[%]

C ITHD Pro[%]

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

(%) D

e la

Fun

dam

enta

l

Número armónico

Espectro armónico en tensión

Van

Vbn

Vcn

124

0

5

10

15

20

25

30

35

40

(%) D

e la

Fun

dam

enta

l

Número armónico

Espectro armónico en corriente

Ia

Ib

Ic

125

Anexo B Hoja técnica de datos equipo Dranetz visa

127

Anexo C. Diagrama unifilar sistema eléctrico molino 4 (archivo adjunto en la carpeta de anexos) Anexo D. Gráficas y cálculos realizados en excel (archivo adjunto en la carpeta de anexos)

Anexo E. Cálculo del factor k para los transformadores A continuación se presentan algunos de los cálculos realizados respecto al factor K de los transformadores: Uno de los impactos más importantes de las corrientes armónicas es el calentamiento adicional en los transformadores. Los transformadores que no son diseñados para alimentar cargas no lineales deben ser de-rateados debido a las pérdidas de Eddy en el devanado causadas por los armónicos de corriente La norma ANSI/IEEE Std C57.110 define un procedimiento para establecer la capacidad del transformador para alimentar cargas con corrientes no sinusoidales Alternativamente los transformadores con clasificación de factor K son diseñados para operar a plena carga con corrientes que presentan niveles de distorsión definidos por el valor del factor K correspondiente Toda forma de onda no lineal puede descomponerse matemáticamente en una frecuencia fundamental y sus armónicas. La norma ANSI/IEEE Std C57.110 establece una relación directa entre estos armónicos y el calentamiento en los transformadores. Similarmente según los laboratorios Underwriters (UL) establecen que el factor K deriva de la suma del cuadrado de las corrientes en porcentaje de un nivel armónico dado multiplicado por el cuadrado del orden del armónico. De esta manera aparece el factor K aplicado a transformadores y se define como:

∑∞

=

=

1

2

2

n rmstotal

n nI

IhFactorK

donde:

( ) ( ) ( ) ( )223

22

21 ... nrmstotal IhIhIhIhI +++=

128

donde: Ih= magnitud de la corriente del h-ésimo armónico

Itotal= magnitud de la corriente fundamental Para el transformador T3-18 de 2000kVA que alimenta los drives DC

h Ih% Ih^2 h^2*Ih^2 1 100,00 10000,00 10000,00 5 20,32 412,90 10322,56 7 5,14 26,42 1294,56 11 3,82 14,59 1765,68 13 1,63 2,64 446,27 17 0,23 0,05 15,29 19 0,48 0,23 82,83

Suma: 10456,84 23927,18

29.284.10456

18.23927 ==FactorK

La corriente máxima a la que debe operar el transformador con estos niveles de distorsión armónica es: 92.5%*2000= 1851kVA , de acuerdo al siguiente cálculo:

%5.9215.01

15.1 =+

=K

I Máx

Para el transformador T3-23 de 2500kVA que alimenta los drives AC

h Ih% Ih^2 h^2*Ih^2 1 100 10000,00 10000,00 5 11,85 140,42 3510,56 7 4,27 18,23 893,41 11 2,48 6,15 744,20 13 1,27 1,61 272,58 17 1,34 1,80 518,93 19 0,85 0,72 260,82 Suma: 10456,84 16200,50

59.184.10456

50.16200 ==FactorK

129

La corriente máxima a la que debe operar el transformador con estos niveles de distorsión armónica es: 96%*2500=2408.6kVA , de acuerdo al siguiente cálculo:

%9615.01

15.1 =+

=K

I Máx

estudio de distorsiÓn armÓnica y factor de ...tabla 11. cargas conectadas al barraje del...

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