Curso Calidad de Energía-Potencia Partners Rev 1 [Modo de...

Schneider Electric 1- Energy Efficiency – 2011

Calidad de Energía y Armónicos”

Presented by: Héctor Julio Ruiz (Responsable de Normalización)

La problemática de compensación de Energía Reactiva en presencia de armónicos.

Tecnologías tradicionales y nuevas


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0 5 10 15 20 25

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Desbalance de fases

Armónicos

Sags/swellsBajadas y sobreTensiones

NotchesDiscontinuidades

SpikesSobretensionestransitorias

Sistema balanceado

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El suministro de Tensión y Corriente Ideales.No Existe

H. J. Ruiz - Setiembre 2016


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Desbalance de fases

Armónicos



Sistema balanceado

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El suministro de Tensión y Corriente IdealesNo Existe


Schneider Electric 4- Energy Efficiency – 2011H. J. Ruiz - Abril 2016

Factor de PotenciaU, I

t

t

P

++ + +


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Factor de Potencia

P

+

-



Factor de Potencia

Se define como factor de potencia al cociente entre la potencia activa y la aparente.

PaPF = ---------

S

S

Pa

Q

ϕ

Sin presencia de armónicos de corriente se cumple:

PF = cos ϕ



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Desbalance de fases

Armónicos


NotchesDiscontinuidades


Sistema balanceado

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El suministro de Tensión y Corriente Ideales No Existe



Que producen corrientes “no lineales”?

• Computadoras

• Copiadoras

M• Variadores de

frecuencia.

• Balastos• electrónicos

• practicamente todas las cargas electrónicas

Principios fundamentales de Armónicos.

La distorsión de la onda senoidal se verifica primeramente en las corrientespor cargas que no siguen linealmente la tensión


• Iluminación Led


Relaciones entre las corrientes TRMS y su contenidoarmónico

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.

I2TRMS = ( I1)2 + (I3)2 + ………………….+ (In)2

P pérdidas = R I2TRMS = R( I1)2 +R (I3)2 + ……………… +R (In)2

ITRMS =√ ( I1)2 + (I3)2 + ………………….+ (In)2



Armónicos: Conceptos Fundamentales

Fundamental

3rd

Harmonic

5t1h

Harmonic

7th

Harmonic

Forma de onda vista con osciloscopio



●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).

● 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)

Que son los armónicos de corriente y de tensión?



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 ArmónicaTotal 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


√ h22 + h3

2 + h42 + h5

2 + h62 + ….. + hn

2

THD(h) [100%] = 100 x --------------------------------------------------------hTRMS

VEI




√ h22 + h3

2 + h42 + h5

2 + h62 + ….. + hn

2

THD(h) [100%] = 100 x --------------------------------------------------------hTRMS

√ Σ2-n hn2

THD(h) [100%] = 100 x -------------------hTRMS

VEI




√ h22 + h3

2 + h42 + h5

2 + h62 + ….. + hn

2

THD(h) [100%] = 100 x --------------------------------------------------------h1

√ Σ2-n hn2

THD(h) [100%] = 100 x -------------------h1

CIGRE


L2

L1

L3

L1

L2

L3

Secuencia Positiva o DirectaSecuencia cero u homopolar

L2 L1 L3

+1200 00 -1200Fundamental

Tercera Armónica +3600 00 -3600

00 00 00

Fundamental Tercer armónico

Como se determina la secuencia de cadaarmónica?

Segunda Armónica +2400 00 -2400



Orden del armónico 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Secuencia + - 0 + - 0 + - 0

Como determinar la secuencia de fases de cadaarmónico ?

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

Pi

+

_

+

Armónicos de orden 3



Factor de Potencia

t

El contenido de armónicos de corriente sin distorsión apreciable de la tensión genera un 99 % de energía reactiva

U , Ih

Pi

Armónicos de orden 5



Que son los Armónicos ( Introducción ) :

U

I

211

1

1001

1

+

==

Itotal

totalTOTAL

THDIV

P

S

PPF


Factor de Potencia y cos ϕ

QTRMS = √ ( Q1)2 + (Qh )2

S

Pa

Q1

ϕ

QTRMS

. Qh

STRMS

.

PaPF = ---------

STRMS

Cos ϕ = 0,98

PF = 0,75

QTRMS = √ ( Q1)2 + (Qh )2



Factor de Potencia y cosϕ

S

Pa

Q1ϕ

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

QTRMS= √(Q1)2 + (Qh)2 = √24,932 + 1002

S = √(Pa) 2 + (Q1)2 = √ 1002 + 24,932

S = 103,06 kVA QTRMS= 103,06 kVArS

PaQ1

ϕ

Qh QTRMS

STRMS



Factor de Potencia y cosϕS

Pa

Q1ϕ

QTRMS = 103,06 kVAr

STRMS =√ P2 + Q2TRMS = S2 + Qh

2

S

PaQ1

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%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%

Measured

A medida que la potencia demandada decrece la corriente armónica trms también pero el THD(I) aumenta.

El Maximo nivel de corriente armónica ocurre a máxima potencia.

Armónicos Definiciones

Distorsión armónica total :



Armónicos de Tensión

● 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

G

MZa

U ∼

∆U I a

Uc U - ∆U



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


Armónicos de Tensión


Break


Ih

G

M M M

Red Estandar

Armónicos: Resonancias en compensación con capacitores

Cargas alineales

Ih

G

Ih

Ih

Zf



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 .



Soluciones Generales

Sn : Potencia Aparente del Transformador

Gh : Potencia Aparente de las cargas generadoras de armónicos ( variadores de veloc., convertidores estáticos, electrónica de potencia ,lámparas de descarga, tubos fluorescentes , etc.)

Qc : Potencia del equipamiento de compensación

U : Tensión de Red





Definiciones TDD & THD + NLL%:

• NLL : Indice dimensional de cargas generadoras Gh ( estimación ) Relación -> Non Linear Load

NLL% -> relación de cargas no-lineales sobre potencia del transformador

NLL = (Gh / Sn)%


Soluciones Generales

Cap. Stand Tipo

reforzado

Tipo

Desinton.





Soluciones para sistemas con altos contenidos de Ar mónicos

� Protección de condensadores con inductancias anti armónicos

� Filtros Pasivos

� Filtros Activos ( X )

� Filtros Híbridos ( combinación activo + pasivo”Harmo ny” )





Filtros Pasivos con inductancias “Harmony”



TRANSFORMADORMT/BT

CARGAS GENERADORAS DE ARMÓNICOS ( Gh )

PRINCIPIO



Filtros Pasivos con inductancias = Capacitores Refo rzados + Inductancia

Red sola

Red con

condensadores

e Inductancias

• Eliminación del riesgo de resonancia• Los armónicos no son totalmente eliminados• Frecuencias de sintonía : 215 Hz y 135 Hz

Red con

condensadores





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





Filtros Pasivos Sintonizados Harmony

• Circuito de derivación realizado con un LC sintonizado sobre las frecuencias de armónicos a eliminar• Rangos habitualmente eliminados: 5, 7, 11•Compensación de energía reactiva asegurada

Transformador MT/BTI armónica

Cargas generadoras de

Armónicos

Capacitores y Filtros antiarmónicos





Esquema tipo de instalación - Filtros Pasivos con inductancias.

Situación antes del filtradoTHD(V) = 8 %Situación despúes del filtradoTHD (V) = 3 %





Filtros Híbridos

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

- 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 armónicoso para corrección de FP.

- 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

De acuerdo a la siguiente fórmula:

100 % = √ (PFP%)2 + (Parm)2

PFP % = √ 1002 - (Parm)2

Parm PFP

10 % 99,5 %

20% 97,9 %

30% 95,4 %

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 %H. J. Ruiz - Setiembre 2016


IEEE 519-1992 ha sido revisada: IEEE 519-2014

Se indicará a continuación las diferenciasincluidas en la nueva IEEE 519 - 2014

Filtrado Activo de armónicos. La norma IEEE 519




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.

Es el único punto considerado en la norma para la mediciónpuede ser desde 400 VCA



Responsabilidades

La distribuidora debe mantener acotado el (THDV) en el PCC

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.




Se agregó una nueva categoría U<= 1000 VAC8% total; 5% maximo a una armónica individual

Las cargas del usuario no definen el THDV.

La norma IEEE 519 – Límites del THDV

El THDV lo definen:

-La impedancia entre el PCC y la fuente generadora.

-Los armónicos de corriente que generan todos los usuariosconectados 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.



Corrección del Factor de Potencia

- Basta de Relés cofimétricos

- Basta de contacotres especiales para capacitores



Filtro Activo de Armónicos

U , I

t



Compensación del cos ϕ

U , I

U

I

Carga capacitiva



Compensación del cos ϕ

U , I

U

Carga inductiva

I




Disponibilidad, seguridad, costos operativos

Energia e infrastructura

Redes Eléctricas, plantas de tratamiento de aguas, tuneles, puertos, aeropuertos, etc

comfort, communication safety, operating costsConfort, comunicación, Seguridad, costo operativo

Edificios Terciarios

Datacenters, Edificios Corpotativos,Hospitales,Bancos, etc

Industria

Productividad, flexibilidad, seguridad,

trazabilidad.

Alimento y Bebida, Automotriz,Papel, Microelectrónica, Farmaceutica,Minería,Metalmecánia

Armónicos Homopolares ?

Armónicos No Homopolares ?




CARGAS LINEALES YALINEALES

Ejemplo CCM con variadoresd e velocidad

Accusine PCS +






Ejemplo: Planta Industrial

Ejemplo: Edificio Corporativo

Accusine PCS +

Accusine PCS + (INCORRECTO)H. J. Ruiz - Abril 2016



Ejemplo: Edificio Corporativo


Accusine SWP


Schneider Electric 58- Energy Efficiency – 2011H. J. Ruiz - Setiembre 2016


Accusine PCS +

Filtrado Activo de Armónicos

Corrección FP

Accusine PFV + Corrección FP

Accusine SWP Filtrado Activo de Armónicos incluyendo el Neutro.

Balance de Cargas

Corrección de huecos de tensión por inyección instantánea de corriente

Corrección de factor de potencia


Tendencias

Schneider Electric 60- Energy Efficiency – 2011H. J. Ruiz - Setiembre 2016


Accusine PCS +

Filtrado Activo de Armónicos

Corrección FP

Accusine PFV + Corrección FP

300 A ≡ 200 KVAr a 400VCA

Schneider Electric 61- Energy Efficiency – 2011H. J. Ruiz Setiembre 2016

Compensación electrónica de FP y filtrado de armónicos

Accusine PCS + Accusine PFV + Accusine SWP +

Schneider Electric 62- Energy Efficiency – 2011H. J. Ruiz – Setiembre 2016

Muchas Gracias por su atención !!!

Preguntas ??

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