Armónicos: Efectos, diagnostico y soluciones JCEE’09 Francesc Fornieles Costes de una instalación Costes Costes Técnicos Técnicos Costes Costes Económicos Económicos Sobrecarga Sobrecarga de de instalaciones instalaciones Visibles Visibles Ocultos: Ocultos: Energéticos Energéticos Instalaciones Instalaciones Procesos Procesos productivos productivos Falta Falta de de capacidad capacidad en en transformadores transformadores yy líneas líneas Niveles Niveles de de pérdidas pérdidas elevados elevados Conceptos Conceptos factura factura Energía Energía no no necesaria necesaria Ampliación Ampliación de de instalaciones instalaciones Costes Costes no no necesarios necesarios Energías Energías fósiles fósiles 1Mwh 1Mwh == 11 tCO2 tCO2 Costes Costes Ecológicos Ecológicos CO2 CO2 generado generado por por demanda demanda excesiva excesiva Energías Energías mixtas mixtas 1Mwh 1Mwh == 0,6 0,6 tCO2 tCO2 Factores de los costes en instalación Medida Trabajo Útil Energía Reactiva Perdidas Energía Distorsión Energía Fluctuante Recargo Transitorios Interferencias Problemas EMC Paros no deseados Compensación Reactiva Planificación, supervisión y Corrección Energía Consumida Energía Activa Reducción Perdidas Filtrado de Armónicos Optimización Consumo Mejor Aprovechamiento energético C O S T E S A H O R R O FILTRADO DE ARMONICOS Índice Panorama eléctrico Qué son los armónicos? Efectos de los armónicos Estudio de una instalación Soluciones Panorama Eléctrico El crecimiento substancial de los dispositivos electrónicos en los últimos años han dado lugar a un cambio significativo de los tipos cargas conectadas al sistema de distribución eléctrico. Calidad de Vida Polución Eléctrica Estos dispositivos están equipados con rectificadores, moduladores, en definitiva una electrónica que distorsionan la forma de onda de la corriente. Onda Ideal 150,00 100,00 50,00 -50,00 -100,00 -150,00 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,00 Onda Distorsionada 300,00 200,00 100,00 -100,00 -200,00 -300,00 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,00 Tipo de cargas U Carga lineal: Intensidad absorbida es con forma de onda senoidal . I ϕ I Ej.: resistencias, cargas inductivas en régimen permanente y no saturadas. (motores, transformadores...). Carga no lineal o deformante: U Intensidad absorbida es con forma de onda no senoidal. Existencia de armónicos. Ej.: Arrancadores, velocidad... variadores de ¿Qué distorsiona la tensión? ¿Que son los armónicos? El matemático francés Jean Baptiste Fourier determino que toda forma de onda periódica no-senoidal puede ser representada como la suma infinitas de ondas senoidales cuya frecuencias son enteros múltiples de la frecuencia fundamental. Descomposición Armónica 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2 2,2 1,8 1,6 1,4 1 1,2 0,8 0,6 0,4 0 0,2 0,00 -50,00 -100,00 -150,00 -200,00 -250,00 = 200,00 150,00 60,00 30,00 40,00 20,00 20,00 10,00 100,00 -100,00 -150,00 -200,00 Fundamental -20,00 -40,00 -60,00 -10,00 -20,00 -30,00 Armónicos 3,6 3,4 3 3,2 2,8 2,6 2,4 2 2,2 1,8 1,6 1 1,4 1,2 0,8 0,6 0,4 0,2 + 0,00 0 3,6 3,4 3 3,2 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 + 0,00 0 3,6 3,4 3 3,2 2,8 2,6 2,4 2 2,2 1,8 1,6 1,4 1 1,2 0,8 0,6 0,4 0 0,2 0,00 -50,00 0,2 50,00 Comportamiento de los armónicos L1 L3 L2 Secuencia Directa n=1+3k Secuencia Inversa n=2+3k Secuencia Homopolar n=3+3k Orden Fund. 2 3 4 5 6 7 Frecuencia 50 100 150 200 250 300 350 Secuencia Conceptos básicos ¿Por que normalmente no hay armónicos de orden par? Si la señal tiene la misma forma de onda en el semiciclo positivo y en semiciclo negativo, los armónicos de orden par se anulan entre si. Supongamos que hay armónicos de 2º orden, podemos escribir que: Sabiendo que I (ωt +π ) = − I (ωt ) Queda demostrado que I2 es nulo, ya que es la única forma de cumplir la expresión anterior. Conceptos básicos Armónicos de 3er orden y múltiples de tres: Estos solo circulan por el conductor neutro, además se suman lo que puede suponer importantes sobrecargas en dicho conductor. Las corrientes armónicas de 3er orden en un sistema trifásico son: Con lo cual se demuestra que los armónicos de 3er orden son homopolares. Si no hay neutro la carga sencillamente no podrá generarlos, y si hay conductor neutro todas las corrientes armónicas de 3er orden se sumaran y pasaran por el neutro, con su consecuente sobrecarga. Evaluación de las medidas • Valor eficaz/RMS: n 2 I ∑ n (A) I RMS = VRMS = n 2 V ∑ n (V) 1 1 • Distorsión individual: I (%) = I ⋅100 I n n 1 V (%) =V ⋅100 V n n 1 • Tasa de distorsión armónica: THDI (%) = 2 40 ∑I 2 n I1 ⋅100 THDV (%) = 2 40 ∑V n 2 V1 ⋅100 Ejemplo de medidas fundamentales I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A 200,00 • Valor Eficaz: 150,00 FORMA IRMS = 652 + 132 + 392 + 312 + 22 = 82,95DE A ONDA •Distorsión Individual: 100,00 50,00 0,00 -50,00 39 ⋅100 = 60% 13 I (%) = 5 I3 (%) = ⋅100 = 20% -150,00 65 65 -200,00 2 I7 (%) = 31 ⋅100 = 47,70% I9 (%) = 65 ⋅100 = 3,08% 65 •Tasa de Distorsión Armónica: -100,00 100 90 80 70 60 50 40 ESPECTRO 2 30 20 13 + 39 + 31 + 2 THDI % = ⋅100 = 79,27% 65 2 2 2 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Ejemplo de medidas fundamentales I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A • Valor Eficaz: IRMS = 652 + 132 + 392 + 312 + 22 = 82,95A •Distorsión Individual: 39 ⋅100 = 60% 13 I (%) = 5 I3 (%) = ⋅100 = 20% 65 65 2 I7 (%) = 31 ⋅100 = 47,70% I9 (%) = 65 ⋅100 = 3,08% 65 •Tasa de Distorsión Armónica: 132 + 392 + 312 + 22 THDI % = ⋅100 = 79,27% 65 ¿Que efectos tienen los armónicos? Efecto de los armónicos ELEMENTO Conductor Conductor de Neutro Condensador Maquinas Eléctricas Equipos de Medida y Control PROBLEMA EFECTO • Aumento de la corriente • Aumento de perdidas térmicas (efecto Joule) • Calentamiento cables (deterioro) • Disparo de protecciones • Circulación armónicos múltiplos de 3 • Retorno por el conductor de neutro • • • • • Resonancia paralelo con el sistema • Amplificación de los armónicos • Calentamiento condensadores • Envejecimiento prematuro de condensadores • Destrucción de condensadores • Circulación de corrientes armonicas por los devanados y tensiones armónicas en bornes • Sobrecalentamiento y perdida de aislamiento térmico (efecto Joule) • Aumento perdidas magnéticas (por Histeresis y Foucault) • Desclasificación (Transformador) • Vibraciones en el eje, desgaste mecánico en rodamientos y excentricidades (motores) • Medidas no válidas • Errores en procesos de control • Valores de magnitudes incorrectas • Interferencias con sistemas de comunicación y control • Error en los instantes de disparo de tiristores Sobreintensidad por el neutro Calentamiento del neutro Degradación prematura Disparo de protecciones Efecto de los armónicos • Conductores Efecto Aumento de la Irms: I = I + I + I +...+ I 2 RMS 1 2 2 2 3 • Disparo intespentivo de las protecciones. 2 n R aumenta con la frecuencia Efecto “Skin” Area Conductora • Sobrecalentamiento de los cables. Efecto de los armónicos • Conductor de Neutro Retorno de las corrientes homopolares (armónicos 3K) Efecto • Disparo intespentivo de las protecciones. • Sobrecalentamiento del cable del neutro. • Sobreintensidades en el neutro. • Tension neutro-tierra. Efecto de los armónicos • Condensadores Disminución de la impedancia cuando aumenta la frecuencia. La conexión de baterías de condensadores pueden producir resonancias paralelo y amplificación de los armónicos. Calculo de la frecuencia resonante: fr = MT Transformador MT/BT Iarmónicas 1 2π LC Scc fr = fn· Q ~ ~ = = M generadores de armónicos (Gh) Efecto de los armónicos • Ejemplo resonancia Efecto de los armónicos • Ejemplo resonancia Efecto de los armónicos • Transformadores Efecto Incremento de perdidas por efecto Joule. 2 PCu = R·IRMS IRMS • Sobrecalentamiento en los devanados. • Aumento perdidas magnéticas. • Rendimiento del transformador. PCu B Incremento de perdidas en el Hierro PFe = PFocault + PHisteresis PFocault = k1·B ·f .a 2 2 PHisteresis = k2 ·B 2 ·f 2 Dentro de la zona son perdidas C·S·cosϕ η= C·S·cosϕ + PFe + C 2 ·PCu H Efecto de los armónicos • Transformadores K – Factor (EEUU) Transformadores Comerciales Factor – K (UE) Desclasificacion del transformador S = 1000 kVA ; Factor K = 1,27 S’ = S/K = 1000/1,27 = 787,4 kVA Efecto de los armónicos • Motores Efecto Incremento de perdidas por efecto Joule. Incremento de perdidas magnéticas. Eficiencia del motor. • Sobrecalentamiento en los devanados. • Aumento perdidas magnéticas. • Rendimiento del motor. • Reducción del par. • Vibraciones, oscilaciones. SECUENCIA Giro Motor Armonico 3k+1 Armonico 3k-1 1 2 3 4 5 6 + - o + - o Efecto de los armónicos • Motores HVF = n =∞ V 2 n ∑ n =5 n HVF < 0,05 NORMA NEMA MG1.1993 NORMA IEC 60892 Efecto de los armónicos • Factor de potencia PF = P S = Potencia Activa Potencia Activa + Potencia No Activa CAUSAS DE F.P.<1 Desfase entre tensión y corriente: Potencia Reactiva. Presencia de perturbaciones armónicas Desequilibrio de consumos entre fases Efecto de los armónicos • Factor de potencia Sin armonicos: Cosϕ = P Con armonicos: P = S P S 2 +Q PF = 2 P S P = P 2 +Q D γ S1 ϕ P P Cos ϕ = PF +D 2 ST Q' Cos ϕ 2 Q Efecto de los armónicos • Factor de Potencia (Ejemplo): P = 400 kW ; Q = 192 Kvar ; THDI% = 48% Cosϕ = P S = 400 2 400 + 192 2 = 0, 90 PF Dist = 1 1 + THDI 2 = 1 1 + 0 ,482 PF = cosϕ × PFDist = 0,9 × 0,9 = 0,81 = 0 ,90 Normas y limites IEC 61000-3-4 IEEE-519:1992 Estudio de una instalación Detección de síntomas de perturbaciones armónicas Obtención de información de la instalación Inspección Física Mediciones con: • Analizador de redes • Analizador de calidad de red • Multimetro capaz de medir en verdadero valor eficaz Diagnostico Temporal Definitivo Solución/es Seguimiento Supervisión y control de la instalación Información Previa Información Previa Datos para pre-estudio armónico PCC RED Transformador MEDICIONES EN CUADRO GENERAL BT 3 4 1 CON BATERIA 2 SIN BATERIA 5 6 4 HILOS L1 M L2 L3 N M MEDICIONES EN CARGAS SIN DISTORSIÓN MEDICIONES EN CUADROS SECUNDARIOS CON CARGAS MONOFÁSICAS FASE - NEUTRO MEDICIONES EN CARGAS CON DISTORSIÓN Sn (Potencia Transformador): Transformador MEDICIONES EN LA(S) BATERIAS kVA U2 (Tensión Nominal): V Ucc (Tensión de cortocircuito): % Información Previa Datos para pre-estudio armónico Puntos de medida: 1,2,3,4,5,6 ….. Nº ARMONICOS 1 3 5 7 11 13 ∑ THD THD (V) THD (I) In(A) Si existe batería de armónicos CON BATERIA CONECTADO Baterias de condensadores CON BATERIA DESCONECTADA THD(I) % THD(I) % THD(U) % THD(U) % Q(batería) kvar P(Instalación) kW Soluciones Soluciones Estructura de la instalación: Los armónicos afectan mas a el material sensible que a la red general. Los armónicos afectan mas a el red general que al material sensible. Estrategias de Filtrado Ubicación Cuadro General Cuadros Secundarios Filtrado Individual Efectos Reducir el nivel de THDI que se genera hacia la red (punto de acoplamiento comun) Reducir el valor eficaz de la corriente en las lineas de la instalacion sin perdida de potencia Reducir perdidas Reducir la corriente eficaz en el punto donde se genera. Reducción de las perdidas en todo el sistema Soluciones: FR Eliminación riesgo de resonancia, batería con filtros modelo FR. p = 7% Frecuencia de resonancia 189Hz fr = ω p(%) = 100 ⋅ ωr 2 1 2π LC p% wr Armónico rechazado 7% 189 Hz h>5º, f > 250Hz 14% 134 Hz h>3º, f > 150Hz Soluciones: LCL ¿Cómo se conecta? Se conecta de forma individual, aguas arriba del convertidor, justo delante de él y en serie. CONVERTIDOR REACTANCIA DE LA RED L1 L2 M 3 L3 C ¿Qué debemos saber de la instalación para poder ofertar un LCL? Tensión de trabajo de la red Frecuencia de la red Corriente consumida por el equipo Soluciones: LCL SIN FILTRO Corriente de línea sin filtro, THD(I)=32%; THD(V)=4,4% CON FILTRO, 70% DE CARGA Corriente de línea con filtro, THD(I)=8%; THD(V)=1,4% Soluciones: LCL SIN FILTRO Corriente de línea sin filtro Irms= 352 A THD(I)=25,3%; THD(V)=21,9% CON FILTRO, 80% DE CARGA Corriente de línea con filtro Irms=250 A THD(I)=18,7%; THD(V)=3,1% En valor absoluto: • 29% menos corriente eficaz. • 50% menos perdidas por efecto Joule. • 44% menos de corriente distorsionante que se vierte a la red por esta maquina. Soluciones: Filtros Activos NETACTIVE Compensador activo MULTIFUNCIÓN Filtros activos AF Trifásico 4 hilos Monofásico 2 hilos Trifásico de 3 hilos Trifásico 4 hilos APF-4W AF-2W AF-3W AF-4W Filtrado de armónicos Equilibrado de fases Compensación energía reactiva Filtrado de armónicos con ó sin compensación de reactiva Filtrado de armónicos Soluciones: Filtros Activos La compensación de armónicos esta basado en la inyección de una corriente en contra fase, que cancela los armónicos generados por la carga. Soluciones: Filtros Activos Funciones del compensador multifunción APF-4W: Filtrado de armónicos Equilibrado de corrientes de fase en sistemas desequilibrados Compensación del factor de potencia. Ideal para instalaciones con gran cantidad de cargas monofásicas y trifásicas generadoras de armónicos: SAI Luminarias Aparatos elevadores Aires acondicionados. Conclusiones Sobre la eficiencia….. La eficiencia energética es la optimización del consumo eléctrico + calidad de la onda + calidad de suministro La no eficiencia energética comporta costes económicos, técnicos y ecológicas El “Confort eléctrico” conlleva la generación de armónicos y fugas. Por tanto es necesario su eliminación y control. La medida nos aporta la información necesaria para conocer el funcionamiento de nuestra instalació, y poder buscar diferentes aplicaciones de mejora. El filtrado de armónicos y la compensación de reactiva, permiten una mayor demanda de potencia en una instalación, evitando paradas de procesos y averías Gracias por su atención Conéctese: www.circutor.com http://eficienciaenergetica.circutor.es