Este documento trata sobre la corrección del factor de potencia en presencia de problemas de distorsión armónica en transformadores. Presenta conceptos fundamentales sobre factor de potencia, armónicas y su efecto, y propone una metodología para la resolución de problemas de bajo factor de potencia con distorsión armónica que incluye detección del problema, recolección de datos, mediciones, cálculos, modelado y configuración.

1. CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN PRESENCIA DE
PROBLEMAS DE DISTORSIÓN ARMÓNICA EN
TRANSFORMADORES
UNIVERSIDAD DE QUINTANA ROO
División de Ciencias e Ingenierías
PRESENTA
Manuel Alejandro Vivas Riverol

2. INTRODUCCIÓN
Los temas de ahorro y calidad de la energía eléctrica
corresponden en la actualidad el acicate económico en
en el ámbito del consumo de la energía eléctrica.
Continuidad: (libre de interrupciones): el grado en el cual
los usuarios pueden confiar en su disponibilidad en
cualquier momento.
Nivel de Voltaje: el grado en el cual el voltaje es
mantenido, en todo momento, con un rango específico.
• CALIDAD DE LA ENERGÌA

3. INTRODUCCIÒN
Establecer el problema de Bajo Factor de Potencia con
distorsión Armónica, mediante la descripción de sus fuentes
generadoras y sus repercusiones técnicas y económicas.
Dar a conocer con claridad una metodología básica, basada
en la bibliografía y el estándar IEEE STD 399-1997, para
resolver problemas de Bajo Factor de Potencia en presencia
de Armónicos.
• NATURALEZA Y ALCANCE DEL TRABAJO

4. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
• RESISTENCIA
VR IR
• En las cargas resistivas como las
lámparas incandescentes, el
voltaje y la corriente están en
fase.
• Por lo tanto, en este caso, se
tiene un factor de potencia
unitario.
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Angulos
Voltaje Corriente Potencia Cero

5. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
• INDUCTANCIA
• En las cargas inductivas como
los motores y transformadores,
la corriente se encuentra
retrasada respecto al voltaje.
• Por lo tanto, en este caso se
tiene un factor de potencia
retrasado.
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Angulo
Voltaje Corriente Potencia Cero
VL
IL

6. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
• CAPACITANCIA
• En las cargas capacitivas
como los condensadores, la
corriente se encuentra
adelantada respecto al
voltaje.
• Por lo tanto, en este caso se
tiene un factor de potencia
adelantado.
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Angulos
Voltaje Corriente Potencia Cero
VC
IC

7. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
• POTENCIA APARENTE, REAL Y REACTIVA
P=√3VIcosθ
Q=√3VI sinθ
S=√3VI
Potencia real, es la potencia que genera trabajo.
Potencia reactiva, es necesaria pero no transformable en energía útil.
Potencia total que fluye hacia la instalación a través de líneas,
transformadores, etc.
Potencia Activa (P) [watts] Elemento resistivo
Potencia Reactiva Inductiva (QL) [VAR] Elemento inductivo
Potencia Reactiva Capacitiva (Qc) [VAR] Elemento capacitivo
Potencia activa P
θ
Potencia reactiva QPotencia aparente S

8. FACTOR DE POTENCIA
• El factor de potencia se define como el cociente de la
relación de la potencia activa entre la potencia aparente;
esto es:
• Comúnmente, el factor de potencia es un término utilizado para
describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido
en trabajo.
P
FP = = Cosθ
S
• DEFINICIÒN

9. FACTOR DE POTENCIA
• ORIGEN DEL BAJO FACTOR DE
POTENCIA
Cargas Cos 
Alumbrado Lámpara
Incandescente
1.00
Lámpara
Fluorescente
0.60
Lámpara Vapor de
Mercurio
0.50
Lámpara de Sodio 0.70
Motor
Inducción
Vacío-Plena Carga 0.15-0.85
Soldadura Soldadura por
resistencia
0.55
Soldadura por arco 0.50
Hornos Hornos de inducción 0.60-0.80
TR
I
Ir Ic

10. FACTOR DE POTENCIA
• EFECTOS
ENERGÉTICOS ECONÓMICOS
Penalización:
Penalización por FP < 90%:=
Bonificación:
Bonificación por FP>90%:=
0.00%
2.00%
4.00%
6.00%
8.00%
10.00%
12.00%
14.00%
16.00%
18.00%
20.00%
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
FP
%
%Rec
%Bon
2.3. Efecto del Factor de Potencia
sobre la corriente
100
125
150
175
200
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
Cos 
%I

11. FACTOR DE POTENCIA
• CORRECIÒN DEL BAJO FACTOR DE
POTENCIA
El proceso de introducir elementos reactivos para
acercar el Factor de Potencia a la unidad se le
denomina corrección de Factor de Potencia

12. FACTOR DE POTENCIA
• CARGA Y FORMAS DE
COMPENSACIÓN MEDIANTE
CAPACITORES
Por el requerimiento de la carga
reactiva:
Constante, Variable, Instantáneo
Por la potencia y lugar de
emplazamiento:
Individual, Por grupos, Central
CARGA
3
CAPACITOR
Clínea
VAr´s
I =
V*
ANSI/IEEE STD 18-2002.
Rangos a régimen continuo en
capacitores
135% de los kVAr´s nominales
110% del voltaje rms nominal
135% de la corriente rms nominal
120% del voltaje pico
FORMAS DE
COMPENSACIÓN

13. ARMÓNICAS
• DEFINICIÓN
Las corrientes Armónicas son componentes
senoidales (de corrientes y/o voltajes) de una onda
periódica, teniendo una frecuencia que es un
múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Así
en sistemas con frecuencia de 60Hz y cargas
monofásicas, las Armónicas características son la
tercera (180 Hz), quinta (300 Hz) y séptima (420
Hz)

14. ARMÓNICAS
Onda distorsionada por la 3a., 5a y 7a. armónicaOnda distorsionada por la 3a., armónica.
Onda senoidal pura libre de distorsione. Efecto de la distorsión armónica.

15. ARMÒNICAS
CARGAS NO LINEALES
Los más comunes son:
1.- Circuitos electrónicos
2.- Saturación de transformadores
3.- Corrientes de energización a transformadores
4.- Lámparas fluorescentes
5.- Variadores de frecuencia para motores
6.- Convertidores de estado sólido
• FUENTES

16. ARMÓNICAS
• EFECTOS Y CONSECUENCIAS
TÉCNICAS Y ECONÓMICAS DE LOS
ARMÓNICOS
TRANSFORMADORES
CAPACITORES
FE e hisP = P +P
22
P= I R

17. FACTOR DE POTENCIA EN
PRESENCIA DE ARMÓNICAS
• FACTOR DE POTENCIA VERDADERO
1
1
2CORRIENTE
P
TPF = = Cosθ
S +THD
*

18. CARACTERISTICAS DE
RESPUESTAS DEL SISTEMA
• CORRIENTE O VOLTAJE CON
DISTORSIÓN ARMÓNICA
2 2 2
2 3 max
1
...
100
rmsdela hdistorsión
f
rmsdela fundamental
valor
(M ) +(M ) + +(M )
THD = =
valor M
×
El THD (Total Harmonic Distortion), o tasa de distorsión armónica, se
definió como consecuencia de la necesidad de poder cuantificar
caracterizar numéricamente los armónicos existentes en un determinado
punto de medida.

19. CARACTERISTICAS DE
RESPUESTAS DEL SISTEMA
• CORRIENTE CON DISTORSIÓN
ARMÓNICA EN BASE A LA DEMENDA
TOTAL
Para establecimientos comerciales e industriales individuales, el estándar de la
IEEE STD 519-1992, en el cual está basado nuestro estándar mexicano
L0000-45 de C.F.E., limita los niveles de corriente armónica en el punto de
común acoplamiento (PCC), entre la compañía suministradora y el de sus
establecimientos mediante el uso del concepto de Distorsión de la Demanda
Total, en la corriente (TDD)

20. CARACTERISTICAS DE
RESPUESTAS DEL SISTEMA
• FACTOR DE DESCLASIFICACIÓN k
El factor K indica la capacidad del transformador para
alimentar cargas no senoidales sin sobrecalentarse

21. CARACTERISTICAS DE
RESPUESTAS DEL SISTEMA
• IMPEDANCIA DEL SISTEMA
SC SC SCZ = R + jX
2
SC
SC
kV
Z =
MVA
h 1X = hX
SC txX = X
En términos generales se sabe que por definición, para frecuencias
bajas, la reactancia capacitiva es bastante alta y la reactancia inductiva
es baja. En circuitos en donde estos elementos están en paralelo, la
impedancia total en frecuencias bajas será inductiva. En frecuencias
altas se aplica lo opuesto y la red es capacitiva.

22. CARACTERISTICAS DE
RESPUESTAS DEL SISTEMA
• RESONANCIA PARALELO
MMM
M
Carga Total de 12 MW
4.2
MVAR
4.16 kV
205 MVAcc
Planta
Cementera
104
103
102
Impedancia
Frecuencia Hz
42030060
Fuente
Armónica
( AD´S )
XL
XC

23. CARACTERISTICAS DE
RESPUESTAS DEL SISTEMA
• MODELADO DE LAS FUENTES
ARMÓNICAS
Carga no lineal
Diagrama unifilar
Circuito equivalente
Fuente de
corriente

24. CARACTERISTICAS DE
RESPUESTAS DEL SISTEMA
• IMPEDANCIA TOTAL EN FUNCIÓN
DE LA FRECUENCIA
C L
L C
jX (R+ jX )
Z=
R+ j(X X )
-
-
( )( )h h hV = I Z

25. PREDICCIÓN DE PROBLEMAS DE
BAJO FACTOR DE POTENCIA CON
ARMÓNICOS
• CÁLCULO DE LA FRECUENCIA
RESONANTE Y LA SEVERIDAD DE
RESONANCIA
100
* (%)
SC C tx
r
CAP SC c tx
MVA X kVA
h = = =
MVAr X kVAr Z
*
Cuando aparece la resonancia paralela entre la inductancia del sistema y la
capacitancia del banco de capacitores, es muy conveniente conocer la
frecuencia de resonancia de éste circuito tanque
SC
CARGANO
MVA
SCR=
MW
LINEAL-
SC
L
I
SCR =
I
IEEE STD 519-1992

26. PREDICCIÓN DE PROBLEMAS
DE BAJO FACTOR DE
POTENCIA CON ARMÓNICOS
• PRESENTACIÓN DE LOS DATOS
ARMÓNICOS
TIEMPO FRECUENCIA

27. PREDICCIÓN DE PROBLEMAS
DE BAJO FACTOR DE
POTENCIA CON ARMÓNICOS
• METODOLOGÍA PARA LA
RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE
BAJO FACTOR DE POTENCIA CON
DISTORSIÓN ARMÓNICA
1.- DETECCIÒN DEL PROBLEMA
2.- DATOS
3.- MEDICIONES
4.- CALCULOS Y GRAFICAS
5.- CONFIGURACIÒN
6.- MODELADO MANUAL

28. PREDICCIÓN DE PROBLEMAS
DE BAJO FP CON ARMÓNICOS
• CONTINUACIÒN METODOLOGÍA
1.- DETECCIÒN DEL PROBLEMA
Pagos elevados, multas, Factor de Potencia bajo
2.- DATOS
Inspección visual y entrevistas para delimitar el área de estudio.
a) Preparación u obtención del diagrama unifilar del sistema.
b) Reunir datos del transformador (TR) y funciones nominales.
c) Obtener la ubicación de las cargas no-lineales.
d) Obtener de la compañía suministradora:
Los niveles de falla permitidos Impedancias del sistema
preferidos

29. PREDICCIÓN DE PROBLEMAS
DE BAJO FP CON ARMÓNICOS
• CONTINUACIÒN METODOLOGÍA
3.- MEDICIONES
Mediciones particulares en los TR y, en caso de requerirlo, en
cargas inductivas como: motores, generadores, etc.
Mediciones de armónicos
4.- CALCULOS Y GRAFICAS
Preparación de las gráficas de:
Demandas
Factor de Potencia
THD, TDD Individual y total
Verificar estos últimos contra el STD 519-1992 en el bus fuente

30. PREDICCIÓN DE PROBLEMAS
DE BAJO FP CON ARMÓNICOS
• CONTINUACIÒN METODOLOGÍA
4.- CALCULOS Y GRAFICAS
F.P.
Cálculo de pérdidas.
Cálculos de los kVAr capacitivos, características de los bancos.
Armónicos
Cálculos de:
IL, ISC, SCR
hr, fr
Adicionalmente:
Factor k
% carga no-lineal
TPF
Cálculo de pérdidas por armónicos

31. PREDICCIÓN DE PROBLEMAS
DE BAJO FP CON ARMÓNICOS
• CONTINUACIÒN METODOLOGÍA
5.- CONFIGURACIÓN
Muchas fuentes de armónicas
Sistema “especial”
NO Cumple la excepción de la regla de la para modelos de
secuencia positiva
Sistema multifásico
Adicionalmente, en algunos casos:
Muchas configuraciones del sistema y necesidad de muchos
escanéos de frecuencia, por añadidura
Adicionalmente:
Resonancia múltiple y/o serie
No es reducible al esquema para cálculos manuales

32. PREDICCIÓN DE PROBLEMAS
DE BAJO FP CON ARMÓNICOS
• CONTINUACIÒN METODOLOGÍA
6.- MODELADO MANUAL
I.- Calcular y graficar Zh contra fr ó hr en los nodos (buses)
de análisis (la primera vez sin capacitores).
II.- Obtener THD, TDD, individual y totales.
III.- Agregar capacitores y regresar al paso I
IV.- Revisar límites para bancos de capacitores, IEEE STD
18-2002
V.- Reubicar capacitores y/o cambiar su tamaño o sus
valores nominales si se exceden sus rangos. Aplicar
filtro desintonizado si se encuentran condiciones de
resonancia. Regresar a paso I.
VI.- Aplicar IEEE STD 519-1992 en el PCC. Adicionar filtro de
sintonía en vez del de desintonía y/o filtro pasa altas, si
los factores de distorsión armónica son excedidos en
este punto.
VII.- Propuesta económica y reporte técnico.

33. METODOS DE MITIGACIÓN
• PRINCIPIOS PARA CONTROLAR LAS
ARMÓNICAS
La modificación de la respuesta en frecuencia del sistema
se puede obtener mediante lo siguiente:
1. Adicionando un filtro en derivación.
2. Adicionando un reactor en serie, para desintonizar el sistema.
3. Cambiando el tamaño del capacitor.
4. Quitando definitivamente los capacitores

34. METODOS DE MITIGACIÓN
• FILTROS PASIVOS
El objetivo de un filtro, es desviar el flujo de corriente
Armónica del sistema de potencia
ó porciones específicas, en otras palabras,
controlar el flujo de corrientes Armónicas.

35. METODOS DE MITIGACIÓN
• EN TRANSFORMADORES
TRANSFOEMADORES TRIANGULO
ESTRELLA
TRANSFORMADORES CON SECUNDARIO EN
ZIG-ZAG
TRANSFORMADORES DE DOBLESALIDA
TRANSFOPRMADORES DE
CUADRUPLESALIDA
TRANSFORMADORES DE AISLAMIENTO
TRANSFORMAFORMADORES TIPO K

36. CONCLUCIONES
Cuando se corrige el Factor de Potencia con capacitores debe considerarse
que la presencia de Armónicas, si no se manejan adecuadamente, puede
volverse mucho más grave, alterando la regulación de voltaje, creando
circuitos de corrientes muy elevadas e inclusive, puede ocurrir la destrucción
de los capacitores.
Con la resonancia armónica, se presentarán corrientes Armónicas muy
elevadas entre el transformador y el capacitor que causarán una distorsión
fuerte en el voltaje.
La resonancia armónica se puede presentar a cualquier frecuencia, pero
para fines de los capacitores las Armónicas 5a, 7a, 11a y 13a son las que
más deben cuidarse.
Cuando la distorsión armónica en corriente en un alimentador excede el
15%, el potencial de condiciones de resonancia es elevado.

37. CONCLUCIONES
Para evitar las condiciones de resonancia pueden añadirse o quitarse
capacitores del sistema de tal manera que varíen los valores de
reactancia capacitiva. También pueden cambiarse las condiciones de
la carga para variar la reactancia inductiva
El hecho de instalar grandes cantidades de equipos de control o de cómputo,
será indicador de la posible presencia de Armónicas, por lo que la selección de
transformadores, tableros y conductores deberá contemplar este aspecto
Asimismo, la presencia de importantes cantidades de cargas inductivas
como hornos de inducción, motores, bobinas, etc. producirán un bajo
Factor de Potencia