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