Embed Size (px)
Citation preview
1
ARMÓNICOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA
Aldo Camargo Fernández-Baca
Origen de Armónicos
•Ferromagnéticas (transformadores y reactoressaturados magnéticamente).• Cargas de Arco (hornos y lámparas de arco) • Cargas que utilizan Electrónica de Potencia(variadores de velocidad AC y DC, etc.)
Origen de Armónicos
•Armónicos de corrienteproducidos por el hornode arco.
•Convertidor de 6 pulsos
2
Tipo de CargaForma de Onda típica Distorsión de
CorrienteFactor dePeso (W i)
Fuente dePoder Monofásico
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Curr
ent
80%(Alto 3er)
2.5
Semiconvertidor
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Curr
ent
alto 2do,3ro,4to a cargas
parciales2.5
Convertidor de 6 pulsos,capacitancia smoothing,y no inductancia serie.
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Curr
ent
80% 2.0
Convertidor de 6 pulsos,capacitancia smoothing,
con inductancia serie > 3%,o dc drive 0 1 0 2 0 3 0 4 0
- 1 . 0
- 0 . 5
0 . 0
0 . 5
1 . 0
Time (mS)
Curr
ent
40% 1.0
Convertidor de 6 pulsos,Con un gran inductor para
amortiguar la corriente.0 10 20 30 40
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Curr
ent
28% 0.8
Convertidor de 12 pulsos
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Curr
ent
15% 0.5
Regulador de voltaje ac
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Curr
ent
Varía con elángulo de
disparo0.7
Fluorecentes17% 0.5
Fuentes de Armónicos: Equipos de Electrónica de Potencia
Orden del armónico1 100.00 3 (13.78)5 5.05 7 2.599 (1.57) 11 1.05
13 0.75 15 (0.57)17 0.44 19 0.3521 (0.29) 23 0.2425 0.20
Máximas Amplitudes de los Armónicos de Corriente en un TCR
Orden del armónico
Fuentes de Armónicos: Equipos de Electrónica de Potencia
Variador de Velocidad (ASD) para un motor enbase a un rectificador de 6 pulsos
Motor
Rectificador de 6 pulsos con tiristores
3
Armónicos Var iador Modulado por Arco Modo6 pulsos ancho de pulso eléctrico Interruptor
1 100 100 100 1003 *20 705 18 90 7 407 12 80 3 159 *2.4 7
11 4 70 0.8 3(*) si son del tipo monofísico, sino no existen
Distorisión Armónica Característica en fuentesde electrónica de Potencia
Componentes Típicos de Armónicos en equipos de electrónica de potencia
Fuentes de Armónicos: Equipos de Arco Eléctrico
Estado 2 3 4 5 7Inicio de la fundición (arco activo) 7.7 5.8 2.5 4.2 3.1Refinado (arco estable) 0.0 2.0 0.0 2.1 0.0
Tabla 4.1
Corriente Armónica% de la fundamentalOrden del armónico
Contenido de Armónicosen Fundidoras de Arco en dos estadosdel ciclo de fundición
4
Fuentes de Armónicos: Equipos de Arco Eléctrico
üLos aparatos de arco producen armónicos pares durante los periodos de arqueo errático. Un ejemplo de esto es el horno de arco, durante el estado de fundición residual.
üEl arco es mucho mejor manejado durante el estado de refinación. Pero a una frecuencia más alta, armónicos pares continuarán apareciendo porque el plasma del arco se manifiesta al azar y el ciclo positivo nunca coincidirá con el ciclo negativo.
Fuentes de Armónicos: Equipos de Arco Eléctrico
üEl espectro armónico típico en la corriente monofásica de un aparato de arco se ve en la tabla
üUn dispositivo balanceado trifásico eliminará los armónicos 3º y 9º. Sin embargo, son frecuentemente retenidos en el análisis de hornos de arco trifásicos, debido a que éstos son de carga NO balanceada durante la fundición de la chatarra. Los hornos de arco también tienen armónicos pares a causa del comportamiento errático del arqueo que produce desigual conducción de corriente tanto en los medios ciclos positivos como negativos.
üEn el caso de los hornos de arco, la reactancia proviene de la conducción del horno. En el caso de los equipos de iluminación proviene de las bobinas de choque. Estas ondas típicas de corrientes y voltaje de hornos de arco se ven en la figura.
Fuentes de Armónicos: Equipos de Arco Eléctrico (Gráfico)
El arco, básicamente un voltaje, en serie y con una reactancia que limita la corriente a un valor razonable. (Este modelo representa bien un gran número de convertidores de electrónica de potencia).
5
Equipos de Núcleo Magnético
Equipos de Núcleo Magnético
Para mantener un voltaje sinusoidal, flujo sinusoidal tiene que ser producido por la corriente de magnetización.
Cuando la amplitud del voltaje (o flujo) es lo suficiente grande para que la curva B-H entre a la región no lineal, la corriente de magnetización resultará distorsionada y con un alto contenido armónicos.
Curva de Saturación de un Transformador
H / i
B /
/ v
λ
Normal operation point
Overvoltage resultedoperation point
Operation point movinginto nonlinear region
Principio de sobre-excitación resultando en la saturación del
transformador.
6
Generación de Armónicos
Flujo de Potencia Armónica de orden h
CORRIENTES ARMÓNICAS AMIGABLES/ NO AMIGABLES:
Circuito Equivalente.
Diagrama Fasorial
1.- Amigable:
2.- No amigables:
Si la corriente armónica
causa una disminución
en la distorsión del armó-
nico de tensión.
Si la corriente armónica
causa un aumento
en la distorsión del armó-
nico de tensión.
7
CORRIENTES ARMÓNICAS AMIGABLES/ NO AMIGABLES
EFECTO DE LA PRESENCIA DE LOS CONDENSADORES
0.00
0.501.00
1.502.00
2.503.00
3.504.00
4.50
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
HARMONIC NUMBER
MAGN
IFIC
ATIO
N OF
HAR
MONI
C CU
RREN
T FR
OM A
SDS 300 kVAr
500 kVAr700 kVAr
No Capacitor Bank
EFECTO DE LA PRESENCIA DE LOS CONDENSADORES:
Ih Ih Ih Ih
Ih
Otras cargas
Xc
Flujo normal de las corrientes armónicas
8
Efectos de los Armónicos
EFECTOS
üEFECTOS INSTANTANEOSSon efectos producidos en el mismo instante en que losdispositivos electrónicos están operando, por ejemplo losvoltajes armónicos pueden perturbar los dispositivos de regulación.
üEFECTOS RETARDADOSProduce fatiga mecánica en las máquinas eléctricas, conductores, etc, debido a las vibraciones, el efecto másimportante a largo plazo producido por los armónicos, es el calentamiento.
ARMONICOS
Efectos Instantáneos•Funcionamiento de los tiristores.•Error adicional en los medidores de energía.•Ruido acústico.•Vibraciones en los motores•Interferencia en los circuitos de comunicacionesy de control.
Efectos retardados•Calentamiento del Capacitor.•Calentamiento del transformador.•Calentamiento de cables y equipos.
9
Algunos problemas causados por los armónicos
§Sobre la red eléctrica:- Sobrecalentamiento del nuetro con riesgo de incendio.- Aumento de las pérdidas eléctricas.- Aumento del campo electromagnético.§ Sobre los condensadores:-Aumento de las pérdidas-Sobrecarga-Riesgo de resonancia.- Aumento de la temperatura de funcionamiento.
Algunos problemas causados por los armónicos
§Sobre los transformadores:- Aumento de las pérdidas-Sobrecarga.-Riesgo de resonancia.- Aumento de la temperatura de funcionamiento.§ Sobre los UPS:-Disminución de la potencia de salida.
§ Sobre las computadoras y aparatoselectrónicos:-Interferencias, pérdidas de datos, mal funcionamiento.
EFECTO DE ARMÓNICOS EN LOS CONDENSADORES:
El efecto principal de los armónicos es el calentamiento adicional y el estrés dieléctrico. La Norma ANSI/IEEE 18-1980, da limitaciones en la tensión, corriente y potencia reactiva para bancos de capacitores que pueden usarse para determinar los niveles de armónicos máximos. Además indica que el capacitorpuede operar continuamente con las siguientes limitaciones (incluyendo las componentes armónicas):
110 % del valor nominal en rms.
120% del valor pico.
180 % de la corriente nominal.
135 % del valor nominal de la potencia reactiva.
10
EFECTO DE ARMÓNICOS EN LOS CONDENSADORES:
En la siguiente figura muestra como se puede determinar la máxima corriente permisible para un armónico en específico dado un límite de variación dado en la ANSI/IEEE 18.
EFECTO DE ARMÓNICOS EN LOS CONDENSADORES:
Si uno la corriente armónica excede los límites, las siguientes soluciones se pueden tomar:
1.- Reubicación de los capacitores a otras partes del circuito puede reducir la sobrecorriente dado la cercanía de la resonancia.
2.- En sistemas estrella el conductor a tierra del neutro podria ser removida para prevenir el armónico de tercer orden. (Peligro: El aislamiento y el interruptor pueden resultar inadecuados después de hacer esto).
3.- Si los remedios anteriores fallan, puede ser necesario añadir un reactor sintonizado. El propósito del reactor es ajustar la frecuencia de resonancia a otra frecuencia diferente de la de resonancia. El riesgo que podria correrse es que tanto la tensión como la corriente
EFECTO DE ARMÓNICOS EN LOS CONDENSADORES:
podrían incrementarse debido al efecto del reactor.
La corriente en el capacitor esta dada por:
In = n (Vn)
Donde: In es la corriente armónica en porcentaje de orden n, y Vnes la tensión armónica en porcentaje.
Por ejemplo si el capacitor tiene un voltaje V7 =15%, la corriente será 105%.
11
Efectos de los ArmónicosResonancia Serie:
Paralelo:
I h
X CX L
SistemaDe Potencia
Ih
XC
XL
De PotenciaSistema
RESONANCIA PARALELAüOcurre cuando la reactancia inductiva y capacitiva del sistema son iguales a cierta frecuencia. Si esta frecuencia de resonancia esta cerca de la frecuencia del armónico producido por las cargas no lineales del sistema, causará una amplificación de la corriente entre la energía amalcenada en la inductancia y la energía amalnacenada por la capacitancia. Esta alta corriente oscilando puede causar distorsión de voltaje y talvez interferencia teléfónica.
RESONANCIA PARALELA
Ih
Xc
IhXs
Xc=Xs
12
RESONANCIA TIPICA EN UNA RED TRIFASICA
Efecto de la Carga Resistiva
RESONANCIA SERIEüEs un resultado de una serie de bancos de capacitores y de las redes (aéreas y subterráneas) ó de la inductancia del transformador.
ü Presenta una impedancia baja y además tiende a atrapar las corrientes armónicas a las cuales resuena.
üPuede resultar en altos niveles de distorsión de la tensión entre la reactancia inductiva y capacitivadel sistema.
13
RESONANCIA SERIE
Xc
Xt
IhXt=Xc
Ih Ih
Ih
Otras cargas
Xc
Ih
Resonancia Serie
Efectos de los ArmónicosTensión en el neutro y tierra distinto de cero
14
Solución a los problemas de armónicos
•Los problemas de armónicos se resuelven principalmente pormedio del uso de filtros pasivos y activos.•Usando transformadores de aislamiento.•Mejorando las instalaciones eléctricas.•Encerrando a los armónicos.•Sobredimensionamiento de los conductores.•Usando transformadores especiales (factor K).•Mejorando el sistema de aterramiento.
Filtros ArmónicosFILTROS CARACTERISTICAS
Activos
Está formada por fuentes de corriente las cuales generan una corriente distorsionada que sumada a la que absorbe la carga hace que se registre un consumo de forma senoidal. Reemplaza la porción de onda seno que esta faltando debido a la corriente no lineal de la carga.
Pasivos
Estos filtros presentan una baja impedancia de una determinada frecuencia la presenta una condición de resonancia para la componente (n) armónica de corriente “nx(frecuencia)”, por lo que esta componente no será inyectada a la red.
Híbridos Compuesto al unir elementos ambos tipos de filtro pasivo y activo.
Uso de filtros para armónicos
Los filtros para armónicos son los absorvedores violentos de electricidad y funcionan bajo el principio que los inductores y capacitores conectado juntos podrán bloquear las corrientesarmónicas o enviarlas a tierra.Los filtros contienen inductancias y capacitores que bloquean o dejan pasar ciertas frecuencias, porque un incremento en la frecuencia aumenta la impedancia del inductor mientras reduce la del capacitor.Existen muchas configuraciones de filtros , pero las básicas son: los filtros serie y los shunt.El filtro serie consiste en un inductor y un capacitor conectados en paralelo entre si pero en conjunto conectado en serie con la carga.
15
Uso de filtros para armónicos
El filtro serie permite el paso de altas frecuencias y de la frecuencia fundamental. La desventaja de este tipo de filtro es quetiene que soportar toda la corriente de la carga.El filtro shunt consiste de una inductancia y un capacitor conectados en serie entre si y asu en su conjunto conectados en paralelo a la carga. Este tipo de filtro provee una baja impedanciaa los armónicos de corriente a tierra. Este tipo de filtro son máseconómicos que los filtros serie ya que no soportan toda la corriente de la carga. En este tipo de filtros hay que tener mucho cuidado en su diseño ya que pueden ocasionar resonancia y produciendo asi armónicos adicionales hacia la red.
Filtros Pasivos
Los filtros pasivos estan construidos por elementos eléctricospasivos: R, L y C. También se dice que son filtros estáticos yaque sus valores de R, L y C permanecen estáticos. Estosarmónicos son diseñados para filtrar específicos armónicos. Son llamados pasivos porque no responden ante cambios de la frecuencia. Son conectados cerca de los elementos que producenlos armónicos como los variadores de velocidad, fluorecentes.Este tipo de filtros no sirve si la impedancia cambia, para estoscasos se usa los filtros activos.
Filtros Pasivos
16
Filtros Activos
También se los conoce como Active Power Line Conditioners (APLCs). Estos filtros usan componentes electrónicos(invertidores y rectificadores) para monitorear y sensar lascorrientes armónicas y crear estas corrientes armónicas pero en sentido contrario; luego lo inyectan a la red para cancelar losarmónicos que genera la carga. Este tipo de filtros son más costosos que los filtros pasivos peroson muy utiles cuando se necesita filtrar armónicos no conocidos.
Uso de Filtros Activos
Uso de Filtros Activos
17
Uso de Filtros Hibridos
Uso de Filtros Hibridos
Uso de transformadores de aislamiento
El transformador de aislamiento es un transformador de relación 1:1 que se usa como filtro de corrientes armónicas, y se instala siempre antes de cargas importantes.Para el diseño de un transformador de aislamiento a medida se necesita tener los siguientes datos:•Tamaño de la carga.•Espectro armónico emitido por la carga.•Impedancia de la fuente.
18
Mejorar las instalacioneseléctricas
Para ello se necesita actuar sobre las instalaciones eléctricas a fin de evitar sobrecargas en los conductores y llaves eléctricas:•Utilizar un conductor en el neutro separado para cada fase.•La selección del conductor en el neutro debe de ser 2 veces la sección del conductor de fase.•Evitar conectar cargas perturbadoras con cargas sensibles.
Encerrando armónicos
Esto se hace con los transformadores delta / estrella donde la parte del primario esta en delta y la del secundario esta en estrella. De esta forma los armónicos múltiplos de 3 o de secuencia cero son atrapadas en el lado del primario evitandoque estos armónicos se propaguen por la red.
Encerrando Armónicos
19
Uso de transformadoresespeciales.
El uso de estos transformadores que tienen un factor K, quepermite usarlos para alimentar cargas no linealesperturbadoras. El factor k de un transformador esta definido como:
Kh I I
I I
hh
hh
= =
∞
=
∞
∑
∑
21
2
1
12
1
( / )
( / )
Uso de transformadoresespeciales.
Que es calculado sobre la base de que las corrientes atravez de los devanados producen pérdidas que son proporcionales al cuadrado de los orden de los armónicos y de sus respectivascomponentes.El factor K de los transformadores es construido para que el transformador soporte más distorsión armónica que lostransformadores estándares. También nos indica el exceso de calor que puede ser disipado por el transformador. Es considerado en el diseño e instalación de carga no lineales y esusado para especificar de nuevas fuentes de potencia.
Uso de transformadores especialesCarga Factor-KLamparas Incandescentes (sin elementos de estado sólido en el dimmer) K-1
Resistencias Eléctricas de Calentamiento (Sin elementos de estado sólido en los controladores de calor) K-1
Motores (Sin controladores de estado sólido) K-1Transformadores de control / Dispositivos de control electromagnético K-1Motor- Generadores (sin controladores de estado sólido) K-1Descargadores Eléctricos K-4UPS opcional: con filtro en la entrada K-4Soldadoras K-4Equipos de calentamiento inductivo K-4PLCs y controladores electrónicos (variadores de velocidad) K-4Equipos de Telecomunicaciones K-13UPS sin filtro a la entrada K-13Tableros de Colegios/Hospitales u aquellos que tengan bastantes circuitos K-13
Mainframe K-20Controladores de estado sólido de motores (dispositivos variadores de velocidades) K-20
Tableros de oficinas, industrias, centros comerciales, laboratorios, K-30Computadoras Personales K-30
Cargas que produzcan alta cantidad de armónicos (en especial de orden superior)K-40
20
Transformador Aislamiento
Filtro de tercer orden en el neutro
