Curso_Calidad-de-Energia.pdf

CURSO - CALIDAD DE
ENERGIA Y ARMONICOS
La problemática de compensación de Energía
Schneider Electric 1
- Energy Efficiency – 2011
Ing. Héctor J. Ruiz - 2016
La problemática de compensación de Energía
Reactiva en presencia de armónicos.
Tecnologías actuales y futuras

-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
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0 5 10 15 20 25
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Sags/swells
Bajadas y sobre
Tensiones
Notches
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Factor de Potencia
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El suministro de Tensión y Corriente Ideales.
No Existe
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Desbalance de fases
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Bajadas y sobre
Tensiones
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El suministro de Tensión y Corriente Ideales
No Existe
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Factor de Potencia

Factor de Potencia
U, I
t
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t
P
+
+ + +

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Factor de Potencia
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P
+
-

Factor de Potencia
Se define como factor de potencia al cociente entre la potencia
activa y la aparente.
Pa
PF = ---------
S
S
Pa
Q
ϕ
Sin presencia de armónicos de
corriente se cumple:
PF = cos ϕ

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Bajadas y sobre
Tensiones
Notches
Discontinuidades
Sistema balanceado
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Factor de Potencia
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El suministro de Tensión y Corriente Ideales
No Existe
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Desbalance de fases
Armónicos
Spikes
Sobretensiones
transitorias
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-1

Que producen corrientes “no lineales”?
• Computadoras M • Variadores de
Principios fundamentales de Armónicos.
La distorsión de la onda senoidal se verifica primeramente en las corrientes
por cargas que no siguen linealmente la tensión
• Computadoras
• Faxes
• Copiadoras
M • Variadores de
frecuencia.
• Balastos
• electrónicos
• practicamente todas
las cargas electrónicas

Relaciones entre las corrientes TRMS y su contenido
armónico
Se define como valor de corriente TRMS a la corriente
deformada que produce el mismo efecto térmico (en los
conductores y cargas) que cada componente, la fundamental y
las armónicas individualmente.
P pérdidas = R I2
TRMS = R( I1)2 +R (I3)2 + ……………… +R (In)2
I2
TRMS = ( I1)2 + (I3)2 + ………………….+ (I
n)2
ITRMS =√ ( I1)2 + (I3)2 + ………………….+ (I
n)2

Armónicos: Conceptos Fundamentales
Fundamental
3
rd
Harmonic
Forma de onda
vista con
osciloscopio
5
t1h
Harmonic
7
th
Harmonic

● Un armónico es una componente de la series de Fourier (onda periódica)
que tiene una frecuencia múltiplo entero de la onda principal o fundamental
(frecuencia de red).
● Las armónicas de corriente son producidas por cargas alineales donde la
corriente no es proporcional a la tensión Convertidores (CA a CC) (CC a CA).
Que son los armónicos de corriente y de tensión?
● La armónica caracteríastica es la predominante de entre el espectro vista
por el sistema de distribución eléctrica.
– HC = armónica caracteríastica a esperar
– n = Orden de la armónica (número entero) 1,2,3,4,5, etc.
– p = numero de pulsos de rectificador o variador de frecuencia.
● Normalmente la amplitud es inversamente proporcional al orden (perfect
world)

Distorsión Armónica Total - THDI - THDV
Se puede definir la distorsión armónica total en corriente THDI
o en Tensión THDV. Independientemente si fuese de tensión o
corriente hablamos matemáticamente de la Distorsión Armónica
Total THD
Existen dos definiciones del THD (h) una establecida por la IEC
a través del VEI 161-02-23 y otra establecida por el CIGRE
√ h2
2 + h3
2 + h4
2 + h5
2 + h6
2 + ….. + hn
2
THD(h) [100%] = 100 x --------------------------------------------------------
hTRMS
VEI

√ h2
2 + h3
2 + h4
2 + h5
2 + h6
2 + ….. + hn
2
THD(h) [100%] = 100 x --------------------------------------------------------
hTRMS
VEI
hTRMS
√ Σ2-n hn
2
THD(h) [100%] = 100 x -------------------
hTRMS

√ h2
2 + h3
2 + h4
2 + h5
2 + h6
2 + ….. + hn
2
THD(h) [100%] = 100 x --------------------------------------------------------
h1
CIGRE
h1
√ Σ2-n hn
2
THD(h) [100%] = 100 x -------------------
h1

L2 L1 L3
+1200 00 -1200
Fundamental
Tercera Armónica +3600 00 -3600
00 00 00
Como se determina la secuencia de cada
armónica?
Segunda Armónica +2400 00 -2400
L2
L1
L3
L1
L2
L3
Secuencia Positiva o Directa
Secuencia cero u homopolar
Tercera Armónica
00 00 00
Fundamental Tercer armónico

Harmonic orden 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Secuencia + - 0 + - 0 + - 0
How to Determine the Phase Sequence of each
Harmonics?
Secuencia Directa Secuencia Inversa Homopolares
Fundamental 2º Armonica 3º Armonica
4º Armonica 5º Armonica 6º Armonica
7º Armonica 8º Armonica 9º Armonica
10º Harmonic 11º Armonica 12º Armonica
3n+1 3n+2 3n+3

Factor de Potencia
t
El contenido de armónicos de corriente, sin distorsión
apreciable de la tensión, genera energía reactiva
U , Ih
Armónicos de orden 3
Pi
+
_
+

Factor de Potencia
t
El contenido de armónicos de corriente sin distorsión apreciable
de la tensión genera un 99 % de energía reactiva
U , Ih
Armónicos de orden 5
Pi

Factor de Potencia y cosϕ
QTRMS = √ ( Q1)2 + (Qh )2
Q
.Qh
STRMS
Pa
PF = ---------
STRMS
Cos ϕ = 0,98
PF = 0,75
S
Pa
Q1
ϕ
QTRMS
.
QTRMS = √ ( Q1)2 + (Qh )2

S
Pa
Q1
ϕ
Ejemplo: Potencia Activa 100 kW
cos ϕ = 0,97 => ϕ= 14º
tg ϕ = 0,24932 => Q1 = Pa x tg ϕ = 24,93 kVAr
Potencia reactiva de armónicos Qh =100 kVAr
Potencia reactiva de armónicos Qh =100 kVAr
QTRMS= √(Q1)2 + (Qh)2 = √24,932 + 1002
S = √(Pa) 2 + (Q1)2 = √1002 + 24,932
S = 103,06 kVA QTRMS= 103,06 kVAr
S
Pa
Q1
ϕ
Qh QTRMS
STRMS

S
Pa
Q1
ϕ
QTRMS = 103,06 kVAr
STRMS = √P2 + Q2
TRMS = S2 + Qh
2
√
√ √
S
Pa
Q1
ϕ
Qh QTRMS
STRMS
STRMS = 1002 + 103,062 =
√ √103,062 + 1002 = 143 ,60 kVA

I Total ,
rms
I Fund ,
rms
I Harm ,
rms THD(I) TDD
Full load 936,68 936,00 35,57 3,8% 3,8%
Measured
El Maximo nivel
de corriente
armónica ocurre
a máxima
potencia.
Armónicos Definiciones
Distorsión armónica total :
Full load 936,68 936,00 35,57 3,8% 3,8%
836,70 836,00 34,28 4,1% 3,7%
767,68 767,00 32,21 4,2% 3,4%
592,63 592,00 27,23 4,6% 2,9%
424,53 424,00 21,20 5,0% 2,3%
246,58 246,00 16,97 6,9% 1,8%
111,80 111,00 13,32 12,0% 1,4%
A medida que la potencia demandada decrece la corriente
armónica trms también pero el THD(I) aumenta.

● Lo primero que aparece son los armónicos de corriente por las cargas
alineales.
● Los armónicos de tensión son consecuencia de los de corriente por la
caída de tensión armónica aguas arriba de la fuente de corriente alineal
Za
G
M
U ∼
∆U I a
Uc U - ∆U

● Los equipos generadores de doble conversión pueden distorsionar la
tensión pero con armánicos de alto orden.

G
Red Estandar
Armónicos: Resonancias en compensación con
capacitores
G
Ih
Ih
Zf
Ih
M M M
Cargas
alineales
Ih

Compensación de la Energía Reactiva.
Eficiencia en el sistema de Distribución Eléctrica
* Bajo Cos ϕ implica pérdidas de energía dentro y fuera de la
instalación.
* Limitación de las prestaciones de los transformadores de
Distribución.
* Multas por bajo Cos ϕ .
* Multas por bajo Cos ϕ .

Soluciones Generales
Sn : Potencia Aparente del Transformador
Sn : Potencia Aparente del Transformador
Gh
Gh : Potencia Aparente de las cargas
: Potencia Aparente de las cargas
generadoras de armónicos ( variadores de
veloc
veloc., convertidores estáticos,
., convertidores estáticos,
electrónica de potencia ,lámparas de
electrónica de potencia ,lámparas de
descarga, tubos fluorescentes , etc.)
descarga, tubos fluorescentes , etc.)
Qc
Qc : Potencia del equipamiento de
: Potencia del equipamiento de
compensación
compensación
U : Tensión de Red
U : Tensión de Red

Cap. Stand
Cap. Stand Tipo
Tipo
reforzado
reforzado
Tipo
Tipo
Desinton
Desinton.
.

Soluciones para sistemas con altos contenidos de Armónicos
Soluciones para sistemas con altos contenidos de Armónicos
Protección de condensadores con inductancias anti armónicos
Filtros Pasivos
Filtros Pasivos
Filtros Activos ( X )
Filtros Activos ( X )
Filtros Híbridos ( combinación activo +
Filtros Híbridos ( combinación activo + pasivo”Harmony
pasivo”Harmony” )
” )

Filtros Pasivos con inductancias “
Filtros Pasivos con inductancias “Harmony
Harmony”
”
PRINCIPIO
TRANSFORMADOR
MT/BT
CARGAS GENERADORAS
DE ARMÓNICOS ( Gh )

Filtros Pasivos con inductancias = Capacitores Reforzados +
Filtros Pasivos con inductancias = Capacitores Reforzados +
Inductancia
Inductancia
Red sola
Red sola
Red con
Red con
condensadores
condensadores
Red con
Red con
condensadores
condensadores
condensadores
condensadores
e Inductancias
e Inductancias
•
• Eliminación del riesgo de resonancia
Eliminación del riesgo de resonancia
•
• Los armónicos no son totalmente
Los armónicos no son totalmente
eliminados
eliminados
•
• Frecuencias de sintonía : 215 Hz y 135 Hz
Frecuencias de sintonía : 215 Hz y 135 Hz

Filtros Pasivos con inductancias “
Filtros Pasivos con inductancias “Harmony
Harmony =
= Comfort
Comfort + Inductancia
+ Inductancia
DR”
DR”

Filtros Pasivos Sintonizados Harmony
Filtros Pasivos Sintonizados Harmony
Eficiencia en el sistema de Distribución
Eléctrica
•
• Circuito de derivación
Circuito de derivación
realizado con un LC
realizado con un LC
sintonizado sobre las
sintonizado sobre las
frecuencias de armónicos a
frecuencias de armónicos a
eliminar
eliminar
•
• Rangos habitualmente
Rangos habitualmente
eliminados: 5, 7, 11
eliminados: 5, 7, 11
•
•Compensación de energía
Compensación de energía
reactiva asegurada
reactiva asegurada
Transformado
r MT/BT
I armónica
Cargas
generadoras de
Armónicos
Capacitores y
Filtros
antiarmónicos 33

Esquema tipo de instalación
Esquema tipo de instalación -
- Filtros Pasivos con
Filtros Pasivos con
inductancias.
inductancias.
Situación antes del filtrado
Situación antes del filtrado
THD(V) = 8 %
Situación
Situación despúes
despúes del
del
filtrado
filtrado
THD (V) = 3 %

Filtros Híbridos
Filtros Híbridos
•
• Principio: asociación de
Principio: asociación de
soluciones pasiva y activas
soluciones pasiva y activas
•
• Eliminación de
Eliminación de
armónicos de rango 2 a 25
armónicos de rango 2 a 25°
°
•
• Compensación de energía
•
• Compensación de energía
reactiva
reactiva
I armónicos

Los armónicos pueden generar muy malas consecuencias
sobre los capacitores!!!
ATENCION !

Armónicos: Filtrado Hibrido y Activo

Filtrado Activo la tecnología del momento.
-Filtrado de armónicos.
-Corrección del factor de potencia.
VENTAJAS:
VENTAJAS:
- No hay riesgo de resonancia (Incendios).
-Se puede compensar a FP = 1 imposible
con capacitores

Filtrado Activo de armónicos.
AccuSine PCS+
&
AccuSine PFV+

Filtros Activos - Equipamientos
AccuSine PCS+
Cancela armónicos y corrige FP
- Se puede setear para filtrado de armónicos
o para corrección de FP.
- Se puede setear un porcentaje
- Se puede setear un porcentaje
de corriente para corrección de FP y otro
para filtrado de armónicos.
De acuerdo a la siguiente fórmula:
100 % = √(PFP%)2 + (Parm)2

AccuSine PCS+ Cancela armónicos y corrige FP
Parm PFP
10 % 99,5 %
20% 97,9 %
30% 95,4 %
40% 91,6 %
De acuerdo a la siguiente fórmula:
100 % = √(PFP%)2 + (Parm)2
PFP % = √1002 - (Parm)2
40% 91,6 %
50% 86,6 %
60% 80,0 %
70% 71,4 %
80% 60,0 %
90% 43,6 %
95 % 31,2 %
98 % 19,9 %
100% 0 %

IEEE 519-1992 ha sido revisada: IEEE 519-2014
Filtrado Activo de armónicos. La norma IEEE 519
Se indicará a continuación las diferencias
incluidas en la nueva IEEE 519 - 2014

Point of Common Coupling (PCC) : Punto de
Acoplamiento Común
El PCC es el punto en el cual una distribuidora puede o
podría alimentar a varios ususarios.
podría alimentar a varios ususarios.
Es el único punto considerado en la norma para la medición
puede ser desde 400 VCA
Not an equipment applied document

Responsabilidades
La distribuidora debe mantener acotado el (THDV) en el PCC
El Usuario debe limitar su TDD (distorsión en corriente) en el PCC de
El Usuario debe limitar su TDD (distorsión en corriente) en el PCC de
acuerdo a la Tabla 2 (U <= 69 kV), Tabla 3 (69 < U < 161 kV), & Taba 4
para (U > 161 kV)
El PCC se define también como punto de acoplamiento común. – Desde
donde la distribuidora puede alimentar a varios usuarios.
Como vimos el TDD es el THDI definido a la demanda máxima de
corriente fundamental.

La norma IEEE 519 – Límites del THDV
Se agregó una nueva categoría U<= 1000 VAC
8% total; 5% maximo a una armónica individual
Las cargas del usuario no
definen el THDV.
El THDV lo definen:
-La impedancia entre el PCC y la fuente generadora.
-Los armónicos de corriente que generan todos los usuarios
conectados al PCC y a otros nodos aguas arriba del PCC donde el
usuario considerado es uno más.

La norma IEEE 519 – Límites del THDI
Presete atención a la
nota ‘c’ defines los
límites para cualquier
equipo de generación:
- Paneles Fotovoltáicos
- Generadores Eólicos
- Generadores diesel
La problemática de los Generadores de Emergencia.

Filtro Activo de Armónicos
U , I
t

Corrección del Factor de Potencia
- Basta de Relés cofimétricos
- Basta de contacotres especiales para capacitores
- Basta de contacotres especiales para capacitores

Compensación del cos ϕ
U , I
U
Carga capacitiva
I

Compensación del cos ϕ
U , I
U
Carga inductiva
I

Disponibilidad,
seguridad,
costos
operativos
Energia e infrastructura
comfort,
communication
safety,
operating
costsConfort,
comunicación,
Seguridad,
costo operativo
Edificios Terciarios Industria
Productividad,
flexibilidad,
seguridad,
trazabilidad.
Alimento y Bebida,
Redes
Eléctricas,
plantas de
tratamiento de
aguas,
tuneles,
puertos,
aeropuertos,
etc
Datacenters,
Edificios
Corpotativos,
Hospitales,
Bancos, etc
Alimento y Bebida,
Automotriz,
Papel,
Microelectrónica,
Farmaceutica,
Minería,
Metalmecánia
Armónicos Homopolares ?
Armónicos No Homopolares ?

CARGAS
LINEALES Y
ALINEALES
Ejemplo CCM con variadoresd e velocidad
ALINEALES
Accusine PCS +

CARGAS
LINEALES Y
ALINEALES
Ejemplo: Planta Industrial
Accusine PCS +
CARGAS
LINEALES Y
ALINEALES
Ejemplo: Edificio Corporativo
Accusine PCS + (INCORRECTO)
H. J. Ruiz - Abril 2016

Ejemplo: Edificio Corporativo
CARGAS
LINEALES Y
ALINEALES
Accusine SW +

Accusine PCS +
Filtrado Activo de Armónicos
Corrección FP
Accusine PFV + Corrección FP
Accusine SWP
incluyendo el Neutro

Accusine PCS +
Corrección FP
300 A ≡ 200 KVAr a 400VCA

Compensación electrónica de FP y filtrado de armónicos
Accusine PCS + Accusine PFV + Accusine PFV +
H. J. Ruiz Setiembre 2016
Accusine PCS + Accusine PFV + Accusine PFV +

Muchas Gracias por su
atención !!!
H. J. Ruiz – Setiembre 2016
atención !!!
Preguntas ??

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