Ahorro de energĂa y mejora de la calidad de energĂa corrigiendo el factor de potencia total Carlos Felipe Salcedo R Energy Efficiency
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
65
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
66
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
67
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
68
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
69
●Conceptos básicos ●Subtensión momentánea ●Armónicos ●IEEE 519 ●Casos de aplicación
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
2
Conceptos Básicos ●Problemas de Calidad de Potencia : ●Fluctuaciones de Voltaje ●Interrupción permanente ●Variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje ●Armónicos ●Transientes Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
5
Conceptos Básicos ●Fluctuaciones de Voltaje: ●Una serie de cambios de voltaje aleatorios - 10% a +10%, provocados por rápidas variaciones en la magnitud de la corriente de carga (Flicker) ●Interrupcion Permanente: ●Cuando el voltaje de suministro ha estado en cero por un periodo de tiempo superior a 1 minuto
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
6
Fluctuaciones de Tensión
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
7
Conceptos Básicos ● Variaciones momentáneas de bajo y alto voltaje (SAGS and SWELLS). ● Causadas por condiciones de falla, energización de motores o grandes cargas, que requieren altas corrientes de carga. Dependiendo de la localización de la falla y de las condiciones del sistema, la falla puede causar :
● SAG = Caída de voltaje temporal (-90%; 8.3 ms a 1min) ● SWELL = Aumento de voltaje (+110%; 8.3 ms a 1 min) ● INTERRUPCION = Completa pérdida de voltaje.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
8
Causes of Voltage Swells
What was THAT???
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
9
Causes of Voltage Sags
Storm
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
10
●Conceptos básicos
●Subtensión momentánea ●Armónicos ●IEEE 519 ●Casos de aplicación
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
11
Conceptos Básicos ●Los SAG de Tensión y las INTERRUPCIONES: Son perturbaciones de CALIDAD DE POTENCIA costosas y difíciles de distinguir ●SAG: Breve disminución de la tensión efectiva ●Los SAGS normalmente afectan sólo a una o a dos fases del circuito ●Las INTERRUPCIONES afectan las tres Fases simultáneamente ●Precaución : Alimentar control del equipo de medida desde una UPS.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
12
Causas de los SAG de Tensión ● Fallas en el sistema de distribución ● Alumbrado ● Contacto de Animales ● Vegetación ● Falla en equipos
● Interna ● Arranque de motores ● Cargas cíclicas
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
13
Voltage Sag Due to Utility Fault (10-20-93)(12:49:38) 200 150
SAG
Voltage (V)
100 50 0 -50 -100 -150 -200 0
50
100
150
200
Time (mS)
INTERRUPCIÓN
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
14
Conceptos Básicos ● Transientes: ● Estos se presentan en forma de impulsos de voltaje de muy corta duración, superpuestos en la señal de alimentación y frecuentemente intermitentes con una duración menor a dos mseg, principalmente son provocados por : ● Descargas atmosféricas ● Maniobras de interruptores ● Operación Bancos de Condensadores ● Operación ascensores. ● Aires acondicionados ● Refrigeradores ● Su nivel puede ser mayor a cinco veces el voltaje nominal, provocando: ● Esfuerzos excesivos al aislamiento de diversos equipos. ● Daños a componentes electrónicos sensibles.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
15
Conceptos Básicos : TRANSIENTES ●Por que son importantes estos datos ? ●Los transientes tienen un efecto acumulativo sobre el equipo electrónico más sensible disminuyendo rápidamente su vida util.
Los transientes se catalogan por su Magnitud y Duración
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
16
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
17
●Conceptos básicos ●Subtensión momentánea
●Armónicos ●IEEE 519 ●Casos de aplicación
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
18
Conceptos Básicos ARMONICOS : Provocados por Cargas no lineales . Son señales de corrientes y/o voltajes que existen en un sistema eléctrico, que tienen unas frecuencias que son múltiplos de la frecuencia fundamental. Su efecto es la deformación de la onda senosoidal.
Corriente Senosoidal
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
Corriente Distorsionada
19
Origen de los armónicos ●Las ondas de tensión e intensidad a 60 Hz están formadas por: ●Una senoidal pura a frecuencia de red (60 Hz). ●Diferentes senoides de frecuencia n veces la frecuencia de red (60 Hz) : los armónicos. ●Los armónicos existen como consecuencia de la existencia de cargas no lineales. ●Las cargas son una impedancia que varía.
y(t ) h 1(t ) h 3(t ) 1.5
1
0.5
0
=
-0.5
-1
-1.5
y (t) Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
+
0
0
-0.5
-0.5
-1
-1
-1.5
-1.5
h1 (t)
h3 (t) 20
Cargas lineales y no lineales ●Carga Lineal: ●Aquella que absorbe una intensidad de idéntica forma que la U senoidal de red
U I
●Ej : resistencias, cargas inductivas en régimen permanente (motores, transformadores ...) . I
●Carga no lineal o deformante :
U
●Aquella que devuelve la onda de intensidad distorsionada. ●Ej: Arrancadores, variadores de velocidad, UPS...
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
21
Rango y espectro de armónicos ●Rango : ●El rango es el valor entero que determina la frecuencia del armónico. ●Ejemplo : armónico de rango 5, frecuencia= 5*60 =300 Hz ( F fundamental 60 Hz) Espectro armónico en % de la fundamental
●Espectro:
100 50
●El espectro de una señal es el gráfico que representa las amplitudes de los armónicos en función de su frecuencia.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
0
22
Conceptos Básicos: THD ●FACTOR THD ●La desviación que se tenga de la forma de onda con respecto a una del tipo perfectamente senosoidal se suele expresar en términos de porcentajes de distorsión armónica tanto para el voltaje como para la corriente.
100
%-Fund.
80
THD = 98%
60 40 20 0 1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Harmonic
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
23
Conceptos Básicos: THD ●El THD Provoca: ●Saturación de transformadores - calentamiento ●Generación de interferencias telefónicas ●Fallas en capacitores de potencia ●Disparos intempestivos de relés ●Mala operación de máquinas-herramientas con controles electrónicos. ●Calentamiento conductores y pérdida de aislamiento. ●Mal funcionamiento de medidores del tipo inductivo
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
24
Fuentes ● Variadores de frecuencia ● Convertidores DC ● Cargadores de baterías ● Rectificadores ● Saturación de transformadores ● Hornos y soldadores de arco ● Alumbrado fluorescente no compensado y con alto THD. ● UPS´s ● Todo equipo electrónico Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
25
Conceptos Básicos Factor de Potencia : representa el grado de desfase entre la tensión y la intensidad aplicadas a una carga -
Factor de potencia Total ( PF )
-
Desplazamiento del Factor de Potencia ( dFP )
Potencia Armónica : Un valor negativo indica flujo de armónicos desde la carga ( Variadores ), un valor positivo indica un flujo hacia la carga ( Condensadores )
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
26
Conceptos Básicos Factor K : define la capacidad de un transformador para alimentar cargas no lineales sin exceder sus limites de temperatura
2
K=
sum ( Ih ) h IRMS
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
2
2
27
Conceptos Básicos ●Factor Armónico ( HF ): Factor de Potencia Total ( FP ) dividido entre el Desplazamiento del Factor de Potencia (dFP) . ●Si no hay presencia de armónicos, este valor será 1. Si la tensión y la intensidad se hacen más distorsionadas, el factor armónico disminuirá.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
28
Origen de los armónicos : Equipos de Oficina ●Características ●Fuente de alimentación conmutada ●TDD = 70% to 90% ●dpf = 1 100
●Problemas ●Calentamiento del transformador
%-Fund.
●Sobrecarga del neutro
80 60 40 20 0 1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Harm onic
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
29
Origen de los armónicos : Variadores de Velocidad DC ● Características ● Etapa de rectificación ● THD <=30% ● Pobre dFP a baja velocidad ● Distorsión del Voltaje, especialmente caídas de voltaje ● Sobrecarga del Transformador
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
30
Origen de los armónicos : Variadores de Velocidad AC •PWM •PWM’s operan con rectificadores no controlados. •TDD puede ser mayor al 100% •Pobre FP y dPF = 1
•Problemas de Calidad de Potencia Suceptible a los Transientes provocados por el suicheo de capacitores
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
31
● Ventajas: ● Eliminación del 5th y 7th Armónicos ● El 11th y 13th son los predominantes
● Desventajas: Costos y construcción del trafo
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
32
Desequilibrio de tensión ●Los Circuit Monitor calculan el desequilibrio de cada fase usando la siguiente formula: ●El desequilibrio de tensión produce calentamiento en los motores.
Vuvm =
V - VMEDIO VMEDIO
●Cuando las tensiones están desequilibradas, una elevada intensidad negativa fluye en los devanados del estator del motor. El flujo resultante gira en sentido contrario al rotor, induciendo una tensión que produce una intensidad de 120Hz.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
33
RESONANCIA SERIE R
V
L
I >>>
SOBREVOLTAJES C
RESONANCIA PARALELO
V >>> CORRIENTES GRANDES Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
I
L
C
34
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
35
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
36
●Conceptos básicos ●Subtensión momentánea ●Armónicos
●IEEE 519 ●Casos de aplicación
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
37
IEEE 519 - Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.
Esta Recomendación o guía, surgió como una necesidad de unificar una serie de criterios para el manejo de las cargas de tipo no lineal y los problemas que éstas ocasionaban a los equipos de la misma planta y en otras que estén conectadas a la misma barra. La IEEE 519 es una guía con una serie de recomendaciones prácticas para el diseñador y el analista en el control de armónicos.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
38
IEEE 519 - Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems. Este estándar aplica en dos direcciones : Desde el punto de vista de la empresa de servicios de electricidad y desde el punto de vista del usuario individual. En este sentido el propósito de la norma es limitar los niveles de armónicos de acuerdo a dos criterios básicos : Establecer una limitación en la cantidad de armónicos de corriente que el usuario individual puede inyectar a la red en el punto de acople común con la red de servicio público. Establecer una limitación en el nivel de contenido de armónico del voltaje suministrado por la empresa prestadora del servicio de electricidad en el punto de acople común. Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
39
Limites de distorsión de corriente en sistemas de distribución (Desde 120 V Hasta 69000 V) MAXIMA DISTORSION ARMONICA de CORRIENTE en % de I de carga ARMONICOS IMPARES Isc / IL
<11
11 <= h < 17
17<=h < 23
23 <= h < 35
35 <= h
TDDI
< 20* 20 < 50 50 < 100 100 < 1000 > 1000
4 7 10 12 15
2 3.5 4.5 5.5 7
1.5 2.5 4 5 6
0.6 1 1.6 2 2.5
0.3 0.5 0.7 1 1.4
5 8 12 15 20
ARMONICOS PARES SON LIMITADOS AL 25 % DE LOS LIMITES PERMITIDOS PARA LOS IMPARES * TODOS LOS EQUIPOS DE GENERACION ESTAN LIMITADOS A ESTOS VALORES DE DISTORSION INDEPENDIENTEMENTE DEL FACTOR Isc / IL. Isc : Máxima Icc en el PCC IL : Máxima corriente de carga ( Componente Fundamental ) en el punto PCC Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
40
Cálculo e Interpretación del TDDI TDDI = I60 Hz * THDI
TDDI en %
Imáx 18 16 13 11 7 5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentaje de tiempo
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
41
Resumen
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
42
Hay cargas que generan armónicos ?
No No
Si No
Los Kvar necesarios son > 15 % de los kVA del Trafo?
Las cargas que generan armónicos son > 15 % de la carga total ?
Si Las cargas que generan armónicos son > 50 % de la carga total ?
Si
No Bancos fijos
Bancos Automáticos
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
Eliminar armónicas
Cual es el problema en la Red Eléctrica?
Mejorar Factor de Potencia
Bancos Automáticos Antirrresonantes
Si
Bancos Automáticos diseñados para filtrar armónicas.
45
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
46
Que necesito para diseñar el filtro ? ●Diagrama unifilar del circuito mostrando la naturaleza de las cargas (Ejm. 150 Hp FVNR , 200 Hp VFD, etc.) ●Capacidad del Transformador en kVA, %Z, Grupo de conexión ● Corriente de Cortocircuito en el punto de conexión ●Tensión primaria , Tensión secundaria ●Localización del equipo de medida ●Tamaño y ubicación de bancos de condensadores ●Ubicación y características de las cargas lineales y no lineales. ●Determinar factor Icc / Icarga ●Determinar el THD de Voltaje ( EE) y de Corriente (Usuario) ●Información de Armónicos pares e impares
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
52
●Conceptos básicos ●Subtensión momentánea ●Armónicos ●IEEE 519
●Casos de aplicación
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
53
Resultados típicos en sistemas industriales THD Tensión < 5% •Equipos tradicionales tienden a operar sin mayores problemas. •Calentamiento adicional en Motores y Transformadores. •Equipamiento electrónico muy sensible puede verse afectado.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
54
Resultados típicos en sistemas industriales THD Tensión 5 ... 10% •Apreciable aumento de temperatura en maquinaria rotante y transformadores. •Problemas con equipos electrónicos sensibles, comunicaciones, interferencias. •Sensibilidad reducida en protecciones. •Mayor potencial de resonancia en el sistema.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
55
Resultados típicos en sistemas industriales THD Tensión > 10% •Excesivo calentamiento en transformadores y máquinas rotantes, se dañarán si el problema persiste. •Falla de equipos electrónicos sensibles. •Protecciones que actúan prematuramente ó no actúan. •Alto potencial de parada.
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
56
La misma carga No lineal produce distintos niveles de THD, dependiendo de la impedancia de la fuente Transformador pequeño: representa alta Z
Transformador grande: representa baja Z
Transformador 10kVA Z=4% 10% THD Tensión EXCESIVO
10A 40% THD
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
Transformador 100kVA Z=4% 2% THD Tensión ACEPTABLE
Cargas alineales idénticas
10A 40% THD
57
Fuentes ● Variadores de frecuencia ● Convertidores DC ● Cargadores de baterías ● Rectificadores ● Saturación de transformadores ● Hornos y soldadores de arco ● Alumbrado fluorescente no compensado y con alto THD ● UPS´s ● Todo equipo electrónico Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
58
Efecto de los armónicos de Secuencia Positiva o Negativa G 60 Hz + 300 Hz -
300 Hz -
G 420 Hz +
G Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
Carga No Lineal UPS
Xc = 1 2 n f C 420 Hz +
100 Kva fp=0.8 60 Hz “El Generador tiene que alimentar : 100 KVA 60 Hz + Potencia Armónica” El Quinto armónico afecta principal- mente a los condensadores El Quinto y el Séptimo armónico afectan a las máquinas giratorias 59
Efecto de los armónicos de secuencia Cero
In = 0
In <> 0
S T
CARGA NO L CARGA LINEA LINEAL
R
Si el circuito es balanceado, y la carga es lineal In = 0 Con cargas No Lineales In < = 2 * Icarga
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
60
Que acciones debemos tomar ? ●Instalar Neutro Doble : El Neutro no se quema por secuencia Cero ●Instalar Transformador Delta – Estrella ●Utilizar Transformador Tipo K ●Utilizar UPS con tecnología IGBT
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
61
n +1 , n-1 Circuito Monofásico :2 Pulsos Armónicos 1 , 3 THD 130 %
Circuito Trifásico : 12 Pulsos Armónicos 11, 13 THD 15 %
Schneider Electric - Ahorro de Energía – Mayo 2009
Circuito Trifásico :6 Pulsos Armónicos 5, 7 THD 30 %
Circuito con IGBT 6 y 20 kHz THD 3 %
62
Make the most of your energy
Schneider Electric - Ahorro de EnergĂa â&#x20AC;&#x201C; Mayo 2009
70