El documento habla sobre los costes de una instalación eléctrica con armónicos. Explica que existen costes técnicos, económicos y ecológicos ocultos como energía no necesaria, ampliación de instalaciones y CO2 generado por demanda excesiva. También menciona factores que influyen en los costes como la energía activa, reactiva, distorsión, transitorios e interferencias.

1. JCEE’09
Arm
Armó
ónicos:
nicos:
Efectos, diagnostico y soluciones
Efectos, diagnostico y soluciones
Francesc Fornieles

2. Costes de una instalación
Costes
Técnicos
Costes
Técnicos
Costes
Económicos
Costes
Económicos
Costes
Ecológicos
Costes
Ecológicos
Visibles
Visibles
Ocultos:
Energéticos
Instalaciones
Procesos productivos
Ocultos:
Energéticos
Instalaciones
Procesos productivos
Energía no necesaria
Energía no necesaria
Ampliación de instalaciones
Ampliación de instalaciones
Costes no necesarios
Costes no necesarios
Conceptos factura
Conceptos factura
CO2 generado por
demanda excesiva
CO2 generado por
demanda excesiva
Energías fósiles 1Mwh = 1 tCO2
Energías fósiles 1Mwh = 1 tCO2
Energías mixtas 1Mwh = 0,6 tCO2
Energías mixtas 1Mwh = 0,6 tCO2
Sobrecarga de
instalaciones
Sobrecarga de
instalaciones
Falta de capacidad en
transformadores y líneas
Falta de capacidad en
transformadores y líneas
Niveles de pérdidas elevados
Niveles de pérdidas elevados

3. Factores de los costes en instalación
Energía Activa
Energía Reactiva
Energía
Distorsión
Transitorios
Interferencias
Trabajo Útil
Perdidas
Energía
Fluctuante Recargo
Problemas
EMC
Paros no
deseados
Energía
Consumida C
C
C
C
O
O
O
O
S
S
S
S
T
T
T
T
E
E
E
E
S
S
S
S
Medida
Planificación,
supervisión y
Corrección
Compensación
Reactiva
Reducción
Perdidas
Filtrado de
Armónicos
Optimización
Consumo
Mejor
Aprovechamiento
energético
A
A
A
A
H
H
H
H
O
O
O
O
R
R
R
R
R
R
R
R
O
O
O
O

4. FILTRADO DE ARMONICOS
FILTRADO DE ARMONICOS

5. Índice
Panorama eléctrico
Qué son los armónicos?
Efectos de los armónicos
Estudio de una instalación
Soluciones

6. 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.
Estos dispositivos están equipados con rectificadores, moduladores,
en definitiva una electrónica que distorsionan la forma de onda de la
corriente.
Calidad de
Calidad de
Vida
Vida
Poluci
Polució
ón
n
El
Elé
éctrica
ctrica

7. Onda Ideal
-150,00
-100,00
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6

8. Onda Distorsionada
-300,00
-200,00
-100,00
0,00
100,00
200,00
300,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6

9. Carga lineal:
Intensidad absorbida es con forma
de onda senoidal .
Ej.: resistencias, cargas inductivas en
régimen permanente y no saturadas.
(motores, transformadores...).
Carga no lineal o deformante:
Intensidad absorbida es con forma
de onda no senoidal. Existencia de
armónicos.
Ej.: Arrancadores, variadores de
velocidad...
Tipo de cargas
U
I
ϕ
U
I

10. ¿Qué distorsiona la tensión?

11. ¿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.

12. -60,00
-40,00
-20,00
0,00
20,00
40,00
60,00 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
-30,00
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
30,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
-250,00
-200,00
-150,00
-100,00
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
+ +
=
Fundamental Armónicos
-200,00
-150,00
-100,00
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
Descomposición Armónica

13. Comportamiento de los armónicos
Secuencia
350
300
250
200
150
100
50
Frecuencia
7
6
5
4
3
2
Fund.
Orden
L1
L3
L2
Secuencia
Directa
Secuencia
Inversa
Secuencia
Homopolar
n=1+3k n=2+3k n=3+3k

14. ¿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 ( ) ( )
t
t I
I ω
π
ω −
=
+
Queda demostrado que I2 es nulo, ya que es la única forma de cumplir la
expresión anterior.
Conceptos básicos

15. 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.
Conceptos básicos

16. Evaluación de las medidas
• Valor eficaz/RMS:
• Distorsión individual:
• Tasa de distorsión armónica:
100
I
I
(%)
I
1
n
n ⋅
= 100
V
V
(%)
V
1
n
n ⋅
=
(A)
I
I
n
1
2
n
RMS ∑
= (V)
V
V
n
1
2
n
RMS ∑
=
100
(%)
1
40
2
2
⋅
=





∑
I
I
THDI
n
100
(%)
1
40
2
2
⋅
=





 ∑
V
V
THDV
n

17. Ejemplo de medidas fundamentales
Ejemplo de medidas fundamentales
• Valor Eficaz:
•Distorsión Individual:
•Tasa de Distorsión Armónica:
20%
100
(%)
I3 =
⋅
=
65
13
A
IRMS 95
,
82
2
31
39
13
65 2
2
2
2
2
=
+
+
+
+
=
I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A
60%
100
(%)
I5 =
⋅
=
65
39
%
4
100
(%)
I7 70
,
7
65
31 =
⋅
= %
100
(%)
I9 08
,
3
65
2 =
⋅
=
%
27
,
79
100
65
2
31
39
13
%
2
2
2
2
=
⋅
+
+
+
=
THDI
-200,00
-150,00
-100,00
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 3 5 7 9 11 13 15 17
ESPECTRO
ESPECTRO
FORMA
FORMA
DE
DE
ONDA
ONDA

18. Ejemplo de medidas fundamentales
Ejemplo de medidas fundamentales
• Valor Eficaz:
•Distorsión Individual:
•Tasa de Distorsión Armónica:
20%
100
(%)
I3 =
⋅
=
65
13
A
IRMS 95
,
82
2
31
39
13
65 2
2
2
2
2
=
+
+
+
+
=
I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A
60%
100
(%)
I5 =
⋅
=
65
39
%
4
100
(%)
I7 70
,
7
65
31 =
⋅
= %
100
(%)
I9 08
,
3
65
2 =
⋅
=
%
27
,
79
100
65
2
31
39
13
%
2
2
2
2
=
⋅
+
+
+
=
THDI

19. ¿Que efectos tienen los armónicos?

20. Efecto de los armónicos
ELEMENTO PROBLEMA EFECTO
Conductor
• Aumento de la corriente
• Aumento de perdidas térmicas (efecto
Joule)
• Calentamiento cables (deterioro)
• Disparo de protecciones
Conductor de Neutro
• Circulación armónicos múltiplos de 3
• Retorno por el conductor de neutro
• Sobreintensidad por el neutro
• Calentamiento del neutro
• Degradación prematura
• Disparo de protecciones
Condensador
• Resonancia paralelo con el sistema
• Amplificación de los armónicos
• Calentamiento condensadores
• Envejecimiento prematuro de
condensadores
• Destrucción de condensadores
Maquinas Eléctricas
• 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)
Equipos de Medida y
Control
• 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

21. Efecto de los armónicos
• Conductores
Aumento de la Irms:
2
2
3
2
2
2
1
... n
I
I
I
I +
+
+
+
=
RMS
I
Efecto “Skin”
R aumenta con la frecuencia
Area
Conductora
Efecto
• Disparo intespentivo de las
protecciones.
• Sobrecalentamiento de los
cables.

22. 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.

23. Efecto de los armónicos
~
=
~
=
Transformador
MT/BT
generadores de armónicos (Gh)
Iarmónicas
M
MT
• 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:
LC
2π
1
fr =
f
fr
Q
Scc
n·
=

24. Efecto de los armónicos
• Ejemplo resonancia

25. Efecto de los armónicos
• Ejemplo resonancia

26. • Transformadores
Incremento de perdidas
por efecto Joule.
2
RMS
Cu R·I
P =
IRMS PCu
Incremento de perdidas
en el Hierro
·f
·B
k
P
·f
·B
k
P
P
P
P
2
2
Histeresis
2
2
1
Focault
Histeresis
Focault
Fe
=
=
+
=
2
.a
Cu
2
Fe ·P
C
P
C·S·cos
C·S·cos
+
+
=
ϕ
ϕ
η
B
H
Dentro de la zona
Dentro de la zona
son perdidas
son perdidas
Efecto de los armónicos
Efecto
• Sobrecalentamiento en los
devanados.
• Aumento perdidas magnéticas.
• Rendimiento del transformador.

27. • Transformadores
Efecto de los armónicos
K
K –
– Factor
Factor
(EEUU)
(EEUU)
Factor
Factor
Factor
Factor
Factor
Factor
Factor
Factor –
–
–
–
–
–
–
– K
K
K
K
K
K
K
K
(UE)
(UE)
(UE)
(UE)
(UE)
(UE)
(UE)
(UE)
Transformadores
Comerciales
Desclasificacion del
transformador
S = 1000 kVA ; Factor K = 1,27
S’ = S/K = 1000/1,27 = 787,4 kVA

28. • Motores
Incremento de perdidas
por efecto Joule.
Incremento de perdidas
magnéticas.
Eficiencia del motor.
Giro Motor
Armonico 3k+1
Armonico 3k-1
1 2 3 4 5 6
+ - o + - o
SECUENCIA
Efecto de los armónicos
Efecto
• Sobrecalentamiento en los
devanados.
• Aumento perdidas magnéticas.
• Rendimiento del motor.
• Reducción del par.
• Vibraciones, oscilaciones.

29. Efecto de los armónicos
• Motores
∑
=
∞
=
=
n
5
n
2
n
n
V
HVF 05
,
0
HVF
NORMA NEMA MG1.1993
NORMA IEC 60892

30. • Factor de potencia
Activa
No
Potencia
Activa
Potencia
Activa
Potencia
S
P
PF
+
=
=
Efecto de los armónicos
CAUSAS DE F.P.1
Desfase entre tensión y corriente: Potencia
Reactiva.
Presencia de perturbaciones armónicas
Desequilibrio de consumos entre fases

31. • Factor de potencia
Sin armonicos:
2
Q
2
P
P
S
P
C
+
=
=
ϕ
os
Con armonicos:
2
D
2
Q
2
P
P
S
P
PF
+
+
=
=
Efecto de los armónicos
ϕ Q
D
γ S1
ST
P
S
Q'
P
Cos ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
Cos ϕ = PF

32. • Factor de Potencia (Ejemplo):
P = 400 kW ; Q = 192 Kvar ; THDI% = 48%
90
,
0
192
400
400
2
2
=
+
=
=
S
P
C ϕ
os 90
0
48
0
1
1
1
1
2
2
,
,
THDI
PF
Dist
=
+
=
+
=
81
,
0
9
,
0
9
,
0
cos =
×
=
×
= Dist
PF
PF ϕ
Efecto de los armónicos

33. Normas y limites
IEC 61000-3-4
IEEE-519:1992

34. 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
Supervisión y control de la
instalación
Seguimiento

35. Información Previa

36. Datos para pre-estudio armónico
Transformador
%
Ucc (Tensión de
cortocircuito):
V
U2 (Tensión Nominal):
kVA
Sn (Potencia
Transformador):
Transformador
RED PCC
MEDICIONES EN
CUADROS SECUNDARIOS
CON CARGAS
MONOFÁSICAS
FASE - NEUTRO
MEDICIONES
EN CARGAS CON
DISTORSIÓN
MEDICIONES
EN LA(S) BATERIAS
MEDICIONES
EN CARGAS SIN
DISTORSIÓN
M
M
1
2
4 5
4 HILOS
L1 L2 L3 N
3 6
MEDICIONES EN CUADRO GENERAL BT
CON BATERIA
SIN BATERIA
Información Previa

37. Puntos de medida: 1,2,3,4,5,6 …..
In(A)
THD (I)
THD (V)
∑ THD
13
11
7
5
3
1
Nº ARMONICOS
Si existe batería de armónicos
Baterias de
condensadores
kW
P(Instalación)
kvar
Q(batería)
%
THD(U)
%
THD(U)
%
THD(I)
%
THD(I)
CON BATERIA
DESCONECTADA
CON BATERIA
CONECTADO
Datos para pre-estudio armónico
Información Previa

38. Soluciones
Soluciones

39. 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.
Soluciones
Estructura de la instalación:

40. Estrategias de Filtrado
Ubicación Efectos
Cuadro General 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
Cuadros
Secundarios
Reducir la corriente eficaz en el
punto donde se genera.
Reducción de las perdidas en
todo el sistema
Filtrado Individual

41. p = 7%
Frecuenciaderesonancia189Hz
LC
2π
1
fr =
Eliminación riesgo de resonancia, batería con filtros modelo FR.
Soluciones: FR
h3º, f 150Hz
134 Hz
14%
h5º, f 250Hz
189 Hz
7%
Armónico rechazado
wr
p%
2
100
(%) 







⋅
=
r
p
ω
ω

42. Se conecta de forma individual, aguas arriba del convertidor,
justo delante de él y en serie.
¿
¿C
Có
ómo se conecta?
mo se conecta?
¿
¿Qu
Qué
é debemos saber de la instalaci
debemos saber de la instalació
ón para poder ofertar
n para poder ofertar
un LCL?
un LCL?
Tensión de trabajo de la red
Frecuencia de la red
Corriente consumida por el equipo
M
3
REACTANCIA
DE LA RED
CONVERTIDOR
L1 L2
L3
C
Soluciones: LCL

43. Soluciones: LCL
Corriente de línea sin filtro, THD(I)=32%; THD(V)=4,4% Corriente de línea con filtro, THD(I)=8%; THD(V)=1,4%
CON FILTRO, 70% DE CARGA
SIN FILTRO

44. Soluciones: LCL
Corriente de línea sin filtro Irms= 352 A
THD(I)=25,3%; THD(V)=21,9%
Corriente de línea con filtro Irms=250 A
THD(I)=18,7%; THD(V)=3,1%
CON FILTRO, 80% DE CARGA
SIN FILTRO
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.

45. Monofásico
2 hilos
Trifásico
4 hilos
Trifásico
de 3 hilos
Filtros activos AF
Compensador activo
MULTIFUNCIÓN
NETACTIVE
Trifásico
4 hilos
APF-4W AF-3W
AF-2W 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

46. 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.

47. 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.
Soluciones: Filtros Activos

48. 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

49. Gracias por su atenci
Gracias por su atenció
ón
n
www.circutor.com
http://eficienciaenergetica.circutor.es
Con
Coné
éctese:
ctese: