¿Cómo !ltrar armónicas y elevar el factor de potencia?

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Case story

¿Cómo !ltrar armónicas y elevar el factor de potencia?

En mi experiencia, los equipos en baja tensión que mas armónicas generan y bajan drásticamente el Factor de Potencia son los Drives de DC.

Una empresa en Baja California, se dedican a producir rollos de plástico de tirajes muy largos; el torque de las maquinas debe ser muy !no y a muy baja velocidad, de lo con-trario el plástico se rompe. Sus máquinas con-tienen tableros llenos de VFD de corriente directa, los cuales estaban generando una distorsión en corriente muy alta, distorsio- nando la forma de onda de voltaje y bajando el FP a 0.4i. El cliente durante años se dedicó a instalar capacitores !jos sin reactor, los cuales entraban en resonancia franca y se quema-ban en menos de un mes.

Se les hizo un estudio con equipos Dranetz para conocer el per!l de cada tablero principal.

A continuación se muestran los resul-tados, los cuales fueron utilizados para diseñar los !ltros.

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Grá!ca 1.1 Forma de Onda de Voltaje antes y después !ltro sintonizado 200 kVAr

Se ve claramente como la forma de onda después de

instalar el !ltro sintonizado es mas senoidal.

La forma de onda de corriente sin !ltro pierde totalmente la

forma de onda senoidal; es una forma de onda típica de

un Drive de 6 pulsos. La forma de onda de corriente con el

!ltro trabajando es mas senoi-dal.

Grá!ca 1.2 Forma de Onda de Corriente Irms antes y después !ltro 200 kVAr

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Grá!ca 1.3 Corriente Irms antes y después !ltro 200 kVAr

Grá!ca 1.4 Potencia kVA antes y después !ltro 200 kVAr

Gracias a la aportación de reacti-vos del !ltro, la corriente Irms ttse disminuye aproximadamente 150

Amperes, liberando carga en el transformadort.

La potencia máxima en kVA´s antes del !ltro

superaba los 250 kVA´s. Gracias a la

disminución de reacti-vos, la potencia

entregada por el trans-formador es de 125 kVAs en promedio.

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Los Drives de DC debido a que operan en ocasiones a muy baja velocidad, hacen que el factor de potencia se caiga bastante. Este cliente tenía un factor de potencia de 0.4i cuando la maquina esta a su máxima capacidad, demandando un alto con-tenido de reactivos.

En la siguiente grá!ca se ve el per!l de demanda de reactivos la cual es muy variante. En estas situacio-nes la solución tendrá que ser automática.

Grá!ca 1.5 Potencia kVAr antes y después !ltro 200 kVAr

Se ve claramente la aportación de reactivos del !ltro de 200

kVAr, demandando en ciertos momentos una cantidad mínima

de kVAr ante CFE.

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En las siguientes grá!cas se muestra el antes y el después de la distorsión armónica total en corriente %THDi. Este valor en ocasiones puede ser confuso ya que con el !ltro operando la corriente es mucho menor, manteniendo el %THDi casi igual que sin el !ltro. Aquí lo importante es compararlo con el %THDv y la corriente en amperes de la armónica a la cual esta sintonizado el !ltro.

Grá!ca 1.6 Gra!ca de %THDi antes y después !ltro 200 kVAr

El THDi se puede observar que se mantuvo casi idéntico sin el !ltro. Esto es debido que la corriente Irms se vio disminuida 150 Amperes menos que sin el !ltro operando.

En seguida analizaremos cómo se comporta en amperaje de la armónica predominante.

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En la siguiente grá!ca 1.7, podemos observar que antes de conectar el !ltro el Drive de DC generaba 90 Amperes como máximo de A5h (300 hz). Con el !ltro se ve que la corriente es desviada un 50% quedando un remanente de 40 Amperes en promedio.

Grá!ca 1.7 Amperaje de Ah5 (300 hz )antes y después !ltro 200 kVAr

En la siguiente grá!ca también se ve la disminución de la 7ma armónica en cierto porcentaje debido a la sintonía del !ltro de 4.7.

Grá!ca 1.8 Amperaje de Ah7 antes y después !ltro 200 kVAr

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En el segundo tablero se cuenta con un Drive de 150 hp de DC el cual estaba generando algo de corriente de Ah3 (180 hz). Para que el !ltro de 4.7 no elevara esta corriente, se opto por instalar un reac-tor de rechazo de 3% de impedancia directamente al Drive y un !ltro de sintonía de 2.7 en paralelo al tablero para compensar reactivos y evitar una frecuencia de resonancia o incremento de la corriente de de 180 hz.

Grá!ca 1.9 Amperaje de Ah3 antes y después !ltro 200 kVAr

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Como podemos observar en la grá!ca anterior, la corriente armónica Ah3 se ve disminuida y no entra en resonancia con el !ltro de 200 kVAr.

En la siguiente grá!ca se muestra el espectro armónico en corriente. Esta gra!ca al igual que las ante-riores cambia cada segundo; es importante mostrarla cuando se presenta la corriente armónica mas critica.

Podemos ver que disminuye un poco el THD de 300 hz pero no en la magnitud deseada ya que la corriente Irms disminuye bastante.

Grá!ca 1.5 Espectro Normalizado en corriente antes y después del !ltro de 200 kVAr.

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Una de las grá!cas más importantes es la distorsión en Voltaje %THDv. Antes del !ltro esta distorsión estaba fuera del estándar IEEE-519-1992. Con el !ltro operando la distorsión bajo de 6.5% a 2.25% como máximo.

Grá!ca 1.6 Distorsión en Voltaje THDv%

Adicional a los !ltros de armónicas y reactor de línea, se instalo un supresor de picos para eliminar los transitorios o picos de voltaje que presentaba la forma de onda de voltaje.

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Una de las grá!cas más importantes es la distorsión en Voltaje %THDv. Antes del !ltro esta distorsión estaba fuera del estándar IEEE-519-1992. Con el !ltro operando la distorsión bajo de 6.5% a 2.25% como máximo.

Grá!ca 1.6 Distorsión en Voltaje THDv%

Adicional a los !ltros de armónicas y reactor de línea, se instalo un supresor de picos para eliminar los transitorios o picos de voltaje que presentaba la forma de onda de voltaje.

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Grá!ca 1.6 Transitorios eléctricos de voltaje

Transitorios Eléctricos de

voltaje.

Transitorios eléctricos eliminados.

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De acuerdo a las grá!cas anteriores podemos concluir que un !ltro sintonizado de 4.7 tiene un porcentaje de !ltrado del 50% a la corriente de sintonía aproximadamente.

Los bene!cios del !ltro en este sistema son los siguientes:

Tabla TR1 Resumen Aplicación de Filtro Pasivo Sintonizado en 480V 200 kVAr

Arreglo

Forma de

Onda Voltaje

Forma de Onda

Corriente

%THDi Máximo

Potencia Maxima ( kVA )

5ta Armónica

%THDv Máximo

SIN Filtro

Distorsionada

con Notches

pronunciados

Distorsionada con

transitorios de

corriene continuos

40%

270

90 Amps

6.5%

CON

Filtro

Senoidal con

Notches

minimos

Mas senoidal sin

transitorios

detectados

30%

125

45 Amps

2.25%

�

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A continuación se presenta el uni!lar de cómo quedo la solución con esta empresa.

Ingeniería Eléctrica

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