MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec 4.0.0.- SOLUCIONES AL PROBLEMA DE LOS ARMONICOS.[1,2,10,12,13,18,22] Cuando se tiene un problema de armónicas no se recomienda aventurar soluciones y llevarlas a terreno para ver que pasa. Los costos de los equipos involucrados hacen que ésta metodología no sea aceptable. Además, una recomendación mal analizada puede agravar más el problema. Las soluciones que se pueden implementar son las siguientes: Introducción de reactancias y/o bobinas de choque (chokes) en la línea. Elementos absorbentes de armónicos (filtros pasivos, Bancos de condensadores con filtros antiarmónicos) Phase Multiplication (transformadores defasadores, sistemas rectificadores de 12 y 18 pulsos) Filtros activos y/o acondicionadores de armónicos 4.1.0.- REACTANCIAS EN LAS LÍNEAS. [27a,27b] 4.1.1.- Reactancias de línea trifásicas.Las reactancias en la línea ofrecen significativas valores de inductancia, las cuales pueden alterar la forma del trazado de la corriente para las cargas no lineales, como en la entrada de los puentes rectificadores. Esta reactancia hace que la forma de onda de la corriente disminuya en la resultante, al disminuir la corriente armónica. Con la impedancia de la reactancia se incrementa al incrementar la frecuencia, de hecho esta situación ofrecerá una impedancia mayor al flujo de la corriente mientras más altos sean los armónicos. Conociendo el valor de la impedancia de entrada, se puede estimar la distorsión de la corriente armónica. La tabla que se indica a continuación, indica la corriente armónica de entrada para varias cantidades de reactancias de entrada. Porcentaje de armónicas vs impedancia total de línea Impedancia total de entrada. Armónicas 5ª 7ª 11ª 13ª 17ª 19ª % THID Valor verdadero RMS 3% 40 16 7.3 4.9 3 2.2 44.13 1.09 4% 34 13 6.3 4.2 2.4 2 37.31 1.07 5% 32 12 5.8 3.9 2.2 0.8 34.96 1.06 6% 30 11 5.2 3.6 2.1 0.7 32.65 1.05 7% 28 10 5 3.3 0.9 0.4 30.35 1.05 8% 26 9 4.3 3.15 0.7 0.3 28.04 1.04 9% 24 8.3 4.2 3 0.5 0.25 25.92 1.03 10% 23 7.5 4 2.8 0.4 0.2 24.68 1.03 La reactancia de entrada se determina por la acumulación de impedancias de; la reactancia de ac, la bobina de choque en dc, el transformador de entrada y la impedancia del cable. Para maximizar la impedancia de entrada mientras se minimiza la caída de tensión ac, se puede combinar el uso de ambas reactancias, tanto la de ac como la bobina de choque en dc. Se puede aproximar a la reactancia total efectiva y ver el comportamiento de la distorsión de la corriente armónica de la tabla antes indicada. El valor efectivo de la impedancia valorada en % esta basada en las cargas actuales como se describe en la siguiente formula: Zeff 3 2 f L Iact (1) 100 VL L Eq. 4.1 donde Iact(1) es el valor de la corriente fundamental de la carga actual y V L-L es el voltaje de línea a línea. La impedancia efectiva del transformador como se ve desde las cargas no lineales se calcula como: Zeff , x mer Zx me Iact (1) Ir Eq. 4.2 donde Zeff,x-mer es el valor efectivo de la impedancia del transformador visto desde la carga no lineal; Z x-mer es la impedancia de placa del transformador y Ir es el valor de placa de la corriente del transformador. Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 1 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec Observando la conducción periódica de un par de diodos, es interesante observar la conducción de los diodos solo cuando el valor instantáneo de la forma de onda ac en la entrada es mayor que el voltaje de línea de dc por un mínimo de 1.4 V. Incorporando una reactancia trifásica ac entre la fuente de suministro ac y la barra de dc, hará que la forma de onda de la corriente tenga menores pulsaciones desde la reactancia es un equipo eléctrico el cual impide un repentino cambio en la corriente. La reactancia también diferenciará eléctricamente entre el punto de tensión de dc y la fuente de ac a pesar de que en el momento de conducción del diodo de la fuente de ac y dc están interconectadas. Esta característica hace que prácticamente se elimine una distorsión en la forma de onda del voltaje de ac causadas por muchos Variadores de Velocidad cuando operan en sistemas de ac deficientes. Esta curva ilustra las reactancias de protección en ac. Aún al 150% del valor de la corriente, estas reactancias todavía tienen el 100% de su inductancia nominal. Esto asegurará un filtrado máximo de la distorsión aún cuando la presencia de armónicos sea muy severa y mejorará la absorción de ondulaciones. La tolerancia típica en los valores de las inductancias es de +/- 5%. En el anexo se puede encontrar un ejemplo de bobinas de línea recomendadas por MTE Corporation 4.1.2.- Reactancias para DC. (choke). En concordancia con 4.1.1, se puede notar que cualquier inductancia de valor adecuado localizado entre la fuente ac y la barra de dc donde se encuentra el capacitor de un Variador de velocidad ayudará a mejorar la forma de onda de a corriente. Esta observación es una guía para la introducción de una inductancia de dc en la línea, la cual esta eléctricamente presente después del puente rectificador de diodos y antes de la barra dc del capacitor. La inductancia de choke dc, realiza una muy similar función a la inductancia trifásica de línea. La frecuencia alisada que la bobina de choke en dc tiene para manipular son seis veces la frecuencia ac de entrada por un Variador de velocidad de seis pulsos. Sin embargo la magnitud de la corriente alisada es muy pequeña. Se puede ver que la impedancia efectiva ofrecida por una bobina de choke es de cerca del 50% de la inductancia ac equivalente. En otras palabras, una inductancia ac del 3% es equivalente a una bobina de choke de 6% en dc desde el punto de vista de la impedancia. Esta puede ser una ecuación matemáticamente derivada del lado ac del flujo de potencia como sigue: 3 V 2 L N Pac Rac V2 Pdc dc Rdc Pac Pdc Vdc 6VL N así, Rdc 2 Rac En estas expresiones se supone que en el convertidor a semiconductores ac/dc esta equipado con un gran capacitor en la parte de dc, haciendo que la barra de voltaje en dc sea igual a la raíz cuadrada del número de veces el voltaje ac de línea a línea en la entrada. La bobina de choke dc consume menos y es mas pequeña que una reactancia trifásica que es comúnmente incluida en los VV. Sin embargo como se indica, se debe mantener en la mitad de la impedancia efectiva ofrecida por una bobina de choque en dc, es solo la mitad del valor numérico de la impedancia cuando es referida el lado de ac. La bobina de choque dc se instalan después de los puentes de diodos, de forma tal que no ofrezcan un significativo pico o sobre voltaje en el puente de diodos. Es además una buena practica de ingeniería incorporar tanto la bobina de choque como la reactancia trifásica en un VV, para mantener una mejor performance. Algunos de los beneficios que se obtiene con la inserción de la inductancia de línea: Una virtual eliminación de ruidos en los circuitos donde estén instalados bancos de condensadores, en especial cuando estos se conectan o desconectan. Atenuación de las armónicas. Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 2 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec Extensión de la vida útil de los transistores y SCR. Extensión de la vida de los motores. Reducción de la temperatura del motor (20 a 40 Cº) Reducción del ruido audible en los motores (3 a 5 db) Minimizar las perturbaciones de la red de energía haciendo que la potencia entregada por un motor se incremente por hasta 25 al 30%. [27.d] Filtrado del ruido eléctrico (distorsión por efectos de los pulsos y los notching en línea) Mejoramiento de la forma de onda. Valores para tener una idea de las bobinas de choke dc se puede observar en al grupo anexo, ejemplo de MTE Corporation. A continuación se muestra un dibujo que muestra el diagrama simplificado de un variador de velocidad, actualmente [29] se ha considerado que el PWM (Modulador de pulso ancho) como VV trifásico por que su función se ha convertido en Standard. Como el VV es una carga no lineal se han instalado las reactancias de acuerdo a las indicaciones de los capítulos anteriores. Este dibujo muestra las diferencias básicas entre un PWM con una reactancia externa en AC y un BPWM (Buffered PWM) que contiene una reactancia en línea de dc. El uso de una reactancia de línea dc provee el 3 a 5% de la impedancia que reducirá el pico del pulso de la corriente. Un método equivalente sería insertar una reactancia de línea en ac en cada fase incrementando la impedancia en un 3 al 5%. Cada elemento en la fase en la línea de ac trabajará parte del tiempo de la onda sinusoidal, en cambio la reactancia de choke dc trabajará todo el tiempo. 4.2.0.- FILTROS PASIVOS DE ARMÓNICAS. El uso de filtros pasivos de armónicas en sistemas de potencia tiene dos objetivos: el principal es prevenir la entrada de corriente y voltaje armónicos desde agentes contaminantes al resto del sistema; y proveer al sistema toda o parte de la potencia reactiva que éste necesita. Los filtros de armónicos pueden ser, según el propósito particular que se persigue, de dos tipos: Filtro Series Filtros Shunt Los FILTROS SERIE impiden el paso de una frecuencia particular (armónica), desde el contaminante hacia alguna componente de la planta o parte del sistema de potencia, mediante la presencia de una gran impedancia serie a la frecuencia especificada. Estos constan de un inductor y un condensador en paralelo que se posicionan en serie a la parte de la red que se desea proteger. Los FILTRSO SHUNT por su parte proveen un paso alternativo de muy baja impedancia para las frecuencias armónicas, y consisten en una rama resonante serie compuesta por elementos RLC en conexión paralela con el sistema de alimentación. Existe dentro de estas variantes un conjunto de variedades de filtros, los mismos que se instalarán en función de la frecuencia, el voltaje, la impedancia y las facilidades del sistema dentro del que va ha actuar y filtrar. Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 3 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec 4.3.0.- DESFASE TRAFOS.[1, 27a] Un rectificador de 12 pulsos consiste en la conexión de dos rectificadores de 6 pulsos alimentados mediante un transformador con dos secundarios o a través de dos transformadores. En ambos casos, la conexión de la alimentación del rectificador debe ser uno “estrella” y el otro en “delta”. Esto produce un desfase de 30º en los voltajes de alimentación. La importancia de ésta modificación se traduce en que se inyectan corrientes armónicas 5ª y 7ª de signo contrario. Por lo tanto, con un grado equivalente de carga en ambos rectificadores, se puede producir una cancelación completa de éstas armónicas (las más importantes). Disminuyendo de esta forma, los niveles de distorsión armónica de voltaje en las barras de alta tensión. Como se indico previamente, la armónica característica generada por semiconductores convierte a ésta en función del número de pulsos para el convertidor. Un convertidor de 12 pulsos tendrá armónicas no menores de orden 11, de esta forma las armónicas 5 y 7 ó menores son prácticamente inexistentes en convertidores de 12 pulsos. De forma similar un convertidor de 18 pulsos producirá armónicos del orden 17 a superior. La menor armónica en un convertidor de 24 pulsos será la del orden 23. El tamaño de un filtro armónico pasivo necesario para filtrar los armónicos se reducirán en la medida que se incremente el espectro de la corriente, de esta forma el tamaño del filtro necesario para filtrar las armónicas de un convertidor de 12 pulsos será mucho más pequeño que el necesario para filtrar los armónicos de un convertidor de 6 pulsos. Sin embargo, un convertidor de 12 pulsos necesita dos puentes rectificadores de 6 pulsos desplazados 30º por fases en la entrada de ac. Este desplazamiento se logra como se indico, con la conexión de los transformadores. Un convertidor de 18 pulsos necesitaría 3 puentes de 6 diodos y tres sets desplazados en 20º ; y un convertidos de 24 pulsos necesitaría cuatro puentes de diodos y cuatro sets desplazados 15º por fase. Estos transformadores que proveen el desplazamiento por fase en las salidas para los convertidores multipulso tienen particularmente propiedades de diseño que permiten manipular el flujo de las armónicas. 4.4.0.- FILTROS ACTIVOS.[1, 9, 12a,12c, 13a, 13b, 18, 28a, 28b] Básicamente el concepto de filtro activo es aquel que usa la electrónica de potencia para producir componentes anti armónicos los mismos que cancelan las componentes armónicas generadas desde las cargas no lineales. Los filtros activos tienen elementos de estado sólido que están sintonizados a la frecuencia de las armónicas que producen el problema en el sistema y los mismos se disparan cuando el armónico pasa por el cero provocando un armónico de polaridad y amplitud contraria al existente con el fin de anularla. Estos filtros comúnmente se instalan conjuntamente con bancos de condensadores que corrigen el factor de potencia, el control de estos se realiza mediante relés de estado sólido, usualmente se hacen llamar SISTEMA DE COMPENSACIÓN DE REACTIVO EN TIEMPO REAL (REAL – TIME REACTIVE COMPENSATION). Algunos fabricantes de bancos de corrección de FP incluso aprovechan de la incorporación de elementos de estado sólido para controlar el reactivo, permitiéndose ofrecer una corrección individual de las fases, ajustando el factor de potencia por fases en la mayoría de los casos en donde los sistemas son des balanceados, los fabricantes de estos equipos aseguran que este sistema permite corregir el factor de potencia sin añadir transientes de conmutación o distorsiones de armónicos. (Modelos PAC de P.A.C. Technologies), (Modelos AV9000 de Square D) Los Acondicionadores de Armónicos AIM (Active Injection Mode) son equipos que monitorean las corrientes armónicas, encontrando las armónicas generadas por las cargas no lineales e inyectando ondas de corriente partidas (en el monitoreo el AIM detecta la forma de onda distorsionada y separa la corriente de carga lineal de la no-lineal) a la barra de alimentación, por esta forma de trabajar las AIM pueden atenuar las corrientes armónicas. Las AIM no son afectadas por los cambios de impedancia de la línea. Las AIM son inherentemente no resonantes y por lo tanto no afectará el punto resonante del sistema. A continuación un esquema referencial del sistema AIM. Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 4 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec A continuación se mostrará una tabla preparada por Electrotek Concepts [12.c] referente a un conjunto de rangos de filtros activos requeridos para diferentes tipos de cargas no lineales. En la tabla se podrá encontrar un conjunto de diferentes tipos de cargas no lineales, con su respectiva forma de onda y niveles típicos de forma de onda de distorsión de la armónica de corriente asociada a cada carga. Usando estas típicas formas de onda es posible calcular el valor teórico para la compensación de las armónicas requeridas desde los filtros activos. El sumario incluye el THD para cada forma de onda de la carga no lineal y el rango de filtro activo en amperios RMS por KVA de valor de la carga. Estos valores asumen que el filtro activo debería basarse en la corriente armónica RMS total contenida en la carga. Una simulación de la forma de onda ilustra la efectividad del filtro activo para cada una de estas formas de onda. Los valores en la tabla asumen las características del filtro activo ideal, esto es, ellos asumen que el filtro activo puede compensar por cada amper de corriente armónica creada para la carga no lineal. Esto es claro desde la simulación resultante de la forma de onda, también incluye en la tabla que la cancelación de la armónica no es perfecta. La distorsión en el suministro de corriente también se indica en la tabla para ilustrar la efectividad del filtro activo. Es importante notar que esta simulación es para condiciones de estado estable (es decir cargas que no cambian). Además el efecto de la respuesta en el tiempo asociada con el control FFT (los diferentes métodos de control que pueden usarse para generar la corriente compensada para cancelar las armónicas en las corrientes de carga. Estas se distinguen por como la señal de la referencia de corriente para la compensación de la armónica es derivada desde la cantidad medida. Este papel focalizado en un método particular es conocido como el método FFT) no es una factor. Un número importante de observaciones puede realizarse sobre la base de los resultados resumidos de esta tabla: La globalidad efectiva de filtrado depende significativamente en el tipo de carga a ser compensada. Esto no es una simple relación entre la corriente de carga THD y la efectividad del filtro. El filtro activo es más efectivo cuando la forma de onda de la corriente de carga no tiene cambios bruscos. Como un resultado, es más efectivo para mas fuentes de voltaje de cargas tipo inversor, aún cuando la distorsión es alta. La efectividad de los filtros activos no es buena para cargas de 12 pulsos. Esto es causado por el hecho que para componentes de alta frecuencia son más dominantes en este tipo de cargas. Los valores requeridos para los condensadores en filtros pasivos también dependen de las características de las corrientes de carga. Las formas de onda de las corrientes de carga con mas contenido de alta frecuencia resulta en altos valores en los filtros capacitivos. (Ej. reguladores de ac con cargas resistivas o convertidores de 12 pulsos). Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 5 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec Conclusiones Los filtros activos tendrían una amplia aplicación para controlar corrientes armónicas desde cargas no lineales. La mejor performance se obtiene para cargas tales como PWM tipo ASD (variadores de velocidad) y conmutar en el modo de energizar donde la forma de onda de las corrientes no tiene cambios bruscos que sean fuertes para los filtros activos. En la conexión, de condensadores, los transientes no deberían ser mayor problema para los filtros activos en la parte de inversión y control. Sin embargo, la interferencia del filtro capacitivo podría experimentar una transiente de alto voltaje que pueda exceder la capacidad del condensador y el elemento supresor. La transiente en la conexión del condensador podría causar sobrecarga de los diodos antiparalelo en el puente inversor. Otros circuitos en el usuario pueden también tener problemas con estos transientes y muchos fabricantes están haciendo esfuerzo para controlar las transientes de las estaciones o subestaciones de condensadores en el momento de la conexión. Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 6 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec TECNICA FILTRO DE ARMÓNICAS PASO BAJO FILTROS ARMÓNICOS PASIVOS SERIE FILTROS ARMÓNICOS PASIVOS SHUNT (sintonizado) REACTANCIAS AC PASIVAS PARA LA ENTRADA INSTALACIÓN FRECUENCIAS ARMONICAS FILTRADAS VENTAJAS DESVENTAJAS Ing. Norman Toledo Todas las frecuencias sobre la frecuencia de resonancia Frecuencias específicas sintonizadas Ejemplo; 3era armónica, 5ta armónica. Frecuencias específicas sintonizada. Ejemplo: 5ta armónica, 7ma armónica, 11va. armónica Todas las frecuencias armónicas por varias cantidades. Minimiza todas las frecuencias armónicas Suministra componentes armónicas específicas a la carga mas bien desde la fuente ac No permite la importación de armónicas desde otras fuentes No introduce cualquier sistema de resonancia No requiere de la existencia de un análisis del sistema Mejora el desplazamiento del factor de potencia Mejora el FP verdadero Alta impedancia para frecuencias sintonizadas Popular para aplicaciones monofásicas, minimiza las 3era armónicas No introduce cualquier sistema de resonancia No importa armónicas de otras fuentes No requiere de la existencia de un análisis del sistema Mejora el desplazamiento del factor de potencia Mejora el FP verdadero Baja impedancia para la frecuencia sintonizada. Suministra componentes armónicas específicas a la carga mas bien que desde la fuente de ac Completamente efectiva para la frecuencia de sintonía Solo requerida para llevar corrientes armónicas, no la carga completa Mejora el desplazamiento del factor de potencia Mejora el FP verdadero Solo para cargas no lineales Solo para cargas no lineales Mínimamente efectivo a sintonizar otras frecuencias armónicas Puede crear sistemas resonantes Sólo filtra una (sintoniza) frecuencia armónica. Puede importar armónicas desde otras cargas NL Requiere múltiples filtros para limitar armónicas típicas Requiere de un análisis de armónicas previo para añadir filtros Puede mejorar THDi de un 30 – 40% como mejor Reduce un poco el desplazamiento del FP Capitulo 4 / hoja 7 Bajo costo Mejora el FP verdadero Tamaño pequeño No importará armónicas desde otras cargas no lineales. No crea sistemas resonantes Protege contra las perturbaciones de la línea de energía. Presenta una alta impedancia a todas las frecuencias armónicas. MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec Ejemplo: A continuación se muestra un sistema eléctrico de una empresa Minera, inicialmente, se podía medir una distorsión THDv de 40% con solo la mitad de los rectificadores funcionando. Las etapas 1 (sólo condensadores) y 2 (condensadores + cambio SCR de 6 a 12 pulsos) de la solución propuesta por CPE-Consultores permitió – con todos los SCR’s funcionando a plena capacidad – reducir la distorsión a valores inferiores al 5% (etapa1) y 2% (etapa 2 final). Los rec # representan al conjunto Transformador (D-Y) – Rectificador (6 pulsos) – Bomba. El efecto de este conjunto corresponde a una fuente de armónicas de corrientes. Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 8 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec En esta figura se muestra la impedancia (módulo) de barra v/s frecuencia de un sistema eléctrico, se puede apreciar que existe una resonancia en torno a la armónica 12, lo cual significa que van a existir amplificaciones de las armónicas de tensión cercanas a este punto, es decir armónicas 11, 12 y 13. Esta amplificación se debe a que los voltajes armónicos se calculan como; Vn = Zn x In donde : Vn, Zn e In corresponden a voltajes, impedancias y corrientes armónicas respectivamente. Para este caso, la resonancia del sistema está en torno a la armónica 12, para niveles bajos de potencia de los rectificadores se presentarán grandes distorsiones individuales de voltaje en las armónicas 11 y 13. Aumentando también el valor de distorsión armónica total e voltaje de barra (THDv). La consecuencia practica de éste aumento podría ocasionar problemas en el sistema como por ejemplo: quema de fusibles y equipos, accionamiento falso de relés y/o protecciones, etc. Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 9 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec FORMA DE ONDA EN UN SISTEMA ELÉTRICO 22.9 KV Y 6.6 KV CON UN THDv DEL 40% FORMA DE ONDA DEL MISMO SISTEM ELECTRICO CUANDO SE DISMINUYO EN UNA PRIMERA ETAPA EL THDv A UN 5% Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 10 MANANDES S.C.C.I. Manta-calle 10 y Av. 10 tel. 624078 fax 626652 email manandes@ manta.ecua.net.ec FORMA DE ONDA DEL MISMO SISTEMA ELECTRICO CUANDO SE DISMINUYO EN UNA SEGUNDA ETAPA Y FINAL EL THD A UN 2% Ing. Norman Toledo Capitulo 4 / hoja 11