Ahorro de Energía - Schneider Electric

Ahorro de energía y mejora de la calidad
de energía corrigiendo el factor de
potencia total
Carlos Felipe Salcedo R
Energy Efficiency
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●Conceptos básicos
●Subtensión momentánea
●Armónicos
●IEEE 519
●Casos de aplicación
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Conceptos Básicos
●Problemas de Calidad de Potencia :
●Fluctuaciones de Voltaje
●Interrupción permanente
●Variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje
●Armónicos
●Transientes
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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
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Fluctuaciones de Tensión
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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.
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Causes of Voltage Swells
What was THAT???
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Causes of Voltage Sags
Storm
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●Conceptos básicos
●Subtensión momentánea
●Armónicos
●IEEE 519
●Casos de aplicación
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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.
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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
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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
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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.
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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
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●Conceptos básicos
●Subtensión momentánea
●Armónicos
●IEEE 519
●Casos de aplicación
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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
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Corriente Distorsionada
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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)
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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...
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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.
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0
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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
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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
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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
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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 )
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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
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2
2
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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.
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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
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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
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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
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● Ventajas:
● Eliminación del 5th y 7th Armónicos
● El 11th y 13th son los predominantes
● Desventajas: Costos y construcción del trafo
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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.
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RESONANCIA SERIE
R
V
L
I >>>
SOBREVOLTAJES
C
RESONANCIA PARALELO
V >>>
CORRIENTES
GRANDES
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I
L
C
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●Conceptos básicos
●Subtensión momentánea
●Armónicos
●IEEE 519
●Casos de aplicación
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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.
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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.
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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
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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
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Resumen
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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
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Eliminar armónicas
Cual es el problema en la
Red Eléctrica?
Mejorar Factor de Potencia
Bancos Automáticos
Antirrresonantes
Si
Bancos Automáticos
diseñados para filtrar
armónicas.
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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
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●Conceptos básicos
●Subtensión momentánea
●Armónicos
●IEEE 519
●Casos de aplicación
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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.
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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.
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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.
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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
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Transformador
100kVA Z=4%
2% THD Tensión
ACEPTABLE
Cargas alineales
idénticas
10A
40% THD
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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
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Efecto de los armónicos de Secuencia
Positiva o Negativa
G
60 Hz +
300 Hz -
300 Hz -
G
420 Hz +
G
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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
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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
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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
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n +1 , n-1
Circuito Monofásico :2 Pulsos
Armónicos 1 , 3
THD 130 %
Circuito Trifásico : 12 Pulsos
Armónicos 11, 13
THD 15 %
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Circuito Trifásico :6 Pulsos
Armónicos 5, 7
THD 30 %
Circuito con IGBT 6 y 20 kHz
THD 3 %
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Make the most of your energy
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