AccuSine: Filtro activo de armónicos

AccuSine ®
Filtro activo de armónicos
Como pueden los filtros activos
de armónicos resolver los
problemas de calidad y ahorro
de energía en su planta?
Los equipos de electrónica de potencia se
han proliferado en la industria gracias a
sus beneficios con el control de procesos
y especialmente al ahorro de energía.
Sin embargo, también traen algunos
inconvenientes importantes a los sistemas
de distribución eléctrica: armónicos y
rápidos cambios de potencia reactiva.
Los Armónicos pueden perturbar
el funcionamiento normal de otros
dispositivos y aumentar los costos de
producción. Además, los rápidos cambios
de potencia reactiva generan demandas
instantáneas de reactivos (kVAR).
Los síntomas de altos niveles armónicos
incluyen sobrecalentamiento de
transformadores, motores, variadores,
cables, disparo térmico de los dispositivos
de protección y fallas lógicas de los equipos digitales. Además, la vida de
muchos aparatos puede reducirse con la
elevada temperatura de funcionamiento.
La falta de compensación VAR oportuna y
adecuada puede dar lugar a fluctuaciones
de tensión en el sistema de distribución
eléctrica, que afectan el funcionamiento de
los equipos.
El Filtro activo de armónicos AccuSine
proporciona el más sencillo y eficaz medio
para mitigar los armónicos, relacionados
con el proceso de reducir las fluctuaciones
de tensión y mejorar la vida útil de los
equipos y la capacidad del sistema.
Ahorro de energía:
El contenido de Armónicos en corriente
genera una sobrecarga, ya que el valor
de la corriente rms aumenta según esta
relación:
Irms = I1
2
1 +THDI
El filtro activo AccuSine elimina esta
corriente adicional, reduciendo tambien
las perdidas en transformadores y
conductores, de esta manera se ahorra
energía en la instalación.
Aplicaciones Típicas
Aplicaciones
Requerimientos
Beneficios
Plantas de tratamiento de aguas y aguas
residuales, fábricas textiles, fábricas de papel,
instalaciones de productos farmacéuticos,
acerías, plataformas petrolíferas, buques de
navegación marítima, industria de extrusión,
industria de artes gráficas, industria de
plásticos, industria en general
Distorsión de voltaje
• THD (V)<5%
• TDD Adecuado para garantizar la operación
de los equipos sin riesgo de daños e
interferencias
• Reduce el contenido de armónicos para
satisfacer las normas
• Elimina los efectos de los armónicos en los
equipos
• Aumenta la capacidad del sistema al
mejorar el factor de potencia total
• Ahorro de energía inmediato
Las fundiciones, hornos de inducción,
unidades DC y grúas
Rápida compensación de potencia reactiva
en entornos ricos en armónicos
• Compensa en tiempo real el contenido
armónico muy fluctuante
• Suministro en tiempo real de potencia
reactiva para mejorar la regulación de voltaje
del sistema
Centros de datos, hospitales
y fabricantes de microelectrónica
Requisitos críticos en tiempo que incorporan
sistemas de seguridad de energía con
generadores, UPS
• Reducción de armónicos
• Correge el factor de potencia principal
cuando se utilizan UPS
Soldadores, motores de inducción lineal,
rayos X y Máquinas de resonancia magnética,
industria automotriz
Compensación Ultra rápida de VAR
• Compenzación VAR ultra rápida para
asegurar la estabilidad del nivel de voltaje
para el proceso
• Elimina el parpadeo
• Reduce el tiempo de diagnóstico de las
máquinas
• Mejora la vida util de los equipos
2
Características Principales y
Beneficios
Una línea simple, incluyendo
• Potencias de 50A, 100A y 300A
Voltaje Universal: 208V - 480V, 3 fases 3 hilos
• Opciones de encerramiento, NEMA 12, IP30
• Oferta Mundial: Cumple Normas IEC, UL, CSA, CE, ABS, C-Tick
Desempeño Potente
• Cumple con los principales estándares de armónicos en todo el
mundo: IEEE-519-92, G5/4-1, GB/T 14549, IEC61000-3-2/-3-4.
• Respuesta ultra rápida a los cambios de carga - en
microsegundos.
• Cancela todos los armónicos del 2º al 50vo orden
• Capacidad de inyección instantánea de corriente reactiva del
225% para responder a las fluctuaciones de la carga y dar soporte
a la estabilidad del voltaje.
Modularidad
• Se pueden instalar hasta diez unidades en paralelo con el mismo
juego de transformadores de corriente, para ampliar la capacidad.
El filtro AccuSine de Schneider
Electric inyecta corriente armónica
para cancelar la corriente armónica
en el sistema de distribución de
energía eléctrica. Así, reducir el nivel
de armónicos resulta en mejora de la
confiabilidad del sistema eléctrico y
ahorro de energía.
Control amigable
• Pantalla gráfica QVGA, multi-idioma
• Estado de Unidad de funcionamiento, los perfiles de carga
aparecen en pantalla de 3.8 pulgadas
• Claridad en la operación de botones de marcha y parada.
• Comunicación Modbus ®
El filtro Accusine es simple de estimar,
de instalar, de configurar y operar.
Además, El filtro AccuSine elimina los
complejos cálculos de cumplimiento
del límite de los armónicos y elimina
los molestos armónicos de la red
eléctrica.
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Principio de funcionamiento del
Filtro activo de armónicos
El sistema de corrección de potencia AccuSine ® inyecta corriente armónica y reactiva
para limitar la distorsión y mejorar el factor de potencia total para el sistema de
distribución de energía eléctrica en cualquier instalación. El filtro AccuSine mide la
corriente total de carga del sistema, determina la componente fundamental e inyecta a
la red la componente armónica en fase opuesta, de tal forma que los armónicos quedan
cancelados. La lógica de amplio espectro del filtro AccuSine no se enfoca en frecuencias
específicas, sino que más bien crea una forma de onda en tiempo real sobre la base de
los aportes de sus circuitos de detección, independientemente de las frecuencias que la
corriente de carga no lineal contiene.
El filtro AccuSine supervisa la carga a través de transformadores de corriente montados en
la línea de alimentación de la carga en cuestión. Esta información es analizada por la lógica
para determinar la magnitud de la corrección a inyectar por el equipo en las líneas de AC.
La mayoría de los filtros activos de armónicos están diseñados con dos tipos de sistemas
de control.
Is
Ia
Ib
Fuente
Reactancia
R
3%
Is: Corriente de la fuente (libre de armónicos)
Ia: Corriente inyectada por el filtro AccuSine
Ib: Corriente de carga
Carga
Carga
no
no lineal
lineal
Uno utiliza la Transformada Rápida de Fourier (FFT) para calcular el ángulo de fase y
amplitud de cada orden de armónico. La electrónica de potencia está dirigida a producir
una corriente de igual amplitud pero ángulo de fase opuesto para órdenes de armónicos
específicos. Esto limita la respuesta a pedidos específicos de armónicos y puede requerir
hasta dos o más ciclos (> 33 milisegundos) antes de responder.
El otro sistema de control (como el que es usado por el filtro AccuSine) es llamado un
completo cancelador de espectro.
Este esquema de control no realiza FFT. Los algoritmos de control son analógicos. La
lógica adquiere la muestra de corriente desde el transformador, remueve la componente
de la frecuencia fundamental e inyecta la corrección en algunos cientos de microsegundos.
De esta manera, todos los “ruidos” no-fundamentales se retiran de la red eléctrica. Este
“ruido” puede contener frecuencias no enteras, también conocidas como interarmónicos.
4
Guía de aplicación
El filtro AccuSine puede ser utilizado fácilmente en diversas aplicaciones. Puede ser
utilizado en conjunto con otros equipos de corrección de calidad de potencia, tales como
filtros de armónicos sintonizados, bancos de condensadores, etc. Por lo cual examinamos
cada aplicación cuidadosamente para garantizar la correcta selección.
El filtro AccuSine puede ser colocado en varios puntos dentro de la red de distribución
eléctrica.
Varias unidades (hasta 10) se pueden conectar en paralelo para proporcionar una
compensación más elevada de corriente y satisfacer los niveles de TDD definidos en el
estándar IEEE519-1992, o los niveles definidos en los requisitos de funcionamiento de la
planta, de ser necesario.
Filtrado individual para
evitar la contaminación de
las cargas conectadas al
juego de barras
Filtrado principal para cumplir
con reglamentaciones y eliminar
perdidas en el transformador
generados por los armónicos
Filtrado de la barra
auxiliar
Nota: Un requisito previo importante para la aplicación del filtro AccuSine es instalar un
reactor de impedancia de línea de 3% o superior o equivalente en frente de cada carga no
lineal, como un VFD, UPS o fuente de alimentación SCR.
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Determinación del Tamaño
de la Unidad
Para una instalación nueva o una existente de la que se conozcan las cargas no lienales,
se utiliza la hoja de cálculo en Excel disponible en www.schneider-electric.com.co para
determinar el filtro activo adecuado en función de los objetivos de TDD deseados en la
planta.
Por ejemplo, una instalación industrial desea satisfacer el nivel de Distorsión de Demanda
Total (TDD) del 8%, por problemas de interferencia. Recogemos la información del sistema
de la siguiente manera:
Potencia del transformador
2000kVA, con un 5% de impedancia
Tensión de sistema
480V
Nivel deseado TDD
8%
Lista de cargas No lineales
2 x 150kVA UPS (Conversor de Diodo)
6 x 50HP VFD (PWM)
6 x 20HP VFD (PWM)
20 x 10HP VFD (PWM)
2 x 100HP VFD (PWM)
Carga Lineal total
400kVA
El programa de selección arroja el siguiente resumen de resultados.
Voltaje del Sistema eléctrico
480 voltios
Todas las cargas Total
1828.3A
Todas las cargas lineales total
481.1A
Factor de potencia por desplazamiento
original
0.950
Objetivo del factor de potencia por
desplazamiento
0.950
TDD del sistema eléctrico antes del filtro
AccuSine
17.06% TDD
TDD Objetivo
8.00% TDD
AccuSine requerido
245.9A de corrección
El Programa de Selección del filtro AccuSine calcula que, a fin de cumplir con requisito del
8% TDD, es obligatorio un PCS-AccuSine nominal de 245.9A RMS. En este caso, debe ser
especificada una unidad de 300A nominal (en este ejemplo, puede lograrse un 5% TDD
debido a que 300A es la unidad seleccionada, o se puede obtener una capacidad VAR de
compensación adicional).
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Especificaciones
Filtro AccuSine
Capacidad de salida estándar RMS
50A, 100A, 300A
Voltaje nominal
208-480V + / - 10% detección automática
Otros Voltajes
Con transformador
Frecuencia nominal
50/60 Hz + / - 3 Hz detección automática
Número de Fases
3F3H / 3F4H
Electrónica de Potencia
IGBT
Topología
Interfase analógico / digital
Operación con Carga Monofásica
Sí
Transformadores de corriente
500 / 5, 1000 / 5, 3000 / 5, 5000 / 5 (400Hz)
Número de CTs requeridos
2o3
Compensación de espectro
2do a 50vo armónico
Relación de atenuación
> 10:1
Paralelo de varias unidades
Sí, hasta 10 por serie de CTs (cualquier combinación de
tamaño)
Ubicación TC
Fuente o carga
Corrección de reactivos
Sí,
Tiempo de respuesta
100 microsegundos para los cambios de paso de carga, 1
ciclo de respuesta completa
Sobrecarga
Limitada a la de potencia nominal, funcionamiento continuo
Inyección dinámica de corriente instantánea
Hasta 2.25 veces la corriente nominal
Pantalla
Gráfica de 3.8” pantalla QVGA
Idiomas
Inglés, con capacidad de otro idioma
Control
Magelis XBT terminal gráfico de pantalla táctil
Parámetros de visualización
• Tensión AC de la línea, tensión de bus DC,
factor de potencia de carga de salida
• Carga de corriente armónica, carga reactiva de corriente,
corriente armónica de salida, corriente de carga corregida
• Varios códigos de error, puntos de inicio de los
parámetros establecidos, pantalla de control de parada
Capacidad de comunicación
Modbus, Modbus TCP / IP
Pérdidas de calor
2150W para 50A, 3700W para 100A, 10,000 W para
300A
Nivel de ruido (ISO 3746)
<80 dB a un metro de la superficie de la unidad.
Color
RAL7032
Temperatura de funcionamiento
0 ° a 40 ° C continuo
Humedad relativa
0 -95% sin condensación
Calificación sísmica
ASCE7 y CIB
Altitud de funcionamiento
<1000m, (otros factores aplican para mayores altitudes @
10% por cada 1000m)
Protección
NEMA 12, IP30,
Opcional: Certificación CE EMC
IEC/EN60439-1, EN61000-6-4 clase A, EN61000-6-2
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Directrices de instalación
El filtro activo AccuSine se presenta en dos opciones: NEMA 12, IP30. Son aptos para
ambientes interiores, bien ventilados, limpios con una temperatura ambiente de 0 ° C a
40 ° C.
Para entornos polvorientos (tales como operaciones de minería, fábricas de acero, fábricas
de papel) es necesario un filtrado y aire acondicionado (para mantener la temperatura
ambiente y quitar el polvo conductivo) en el cuarto de servicios públicos, y se recomienda
una unidad NEMA 12.
Tabla de selección del filtro AccuSine PCS
Coriente
nominal
(rms)
Maxima Potencia reaciva
(kVAR)
208 V
400 V
480 V
50
18
34,8
41,8
100
38
88,2
83,1
300
108
207,8
249,4
Referencia
Peso
Encerramiento
Dimensiones
Clase
Figura #
Lbs (kg)
1
661 (300)
2
771 (350)
3
1212 (550)
Capacidad de
Carga
Corriente
Secundaria
PCS050D5N126S
NEMA 12
PCS050D5IP306S
IP 30
PCS100D5N126S
NEMA 12
PCS100D5IP306S
IP 30
PCS300D5N126S
NEMA 12
PCS300D5IP306S
IP 30
Tabla de selección de transformadores de corriente
Capacidad en
Amp
Catálogo No.
Dimensiones
A (ID)
D (OD)
Peso (lb)
Precisión
500
CT500SC
4.0
6.5
3.5
2%
3 VA
5A
1000
CT1000SC
4.0
6.5
3.5
1%
10 VA
5A
3000
CT3000SC
6.0
8.5
4.25
1%
45 VA
5A
5000
CTFCL5000
8.0
10.5
5.5
1%
45 VA
5A
Nota: Se necesitan Tres TC para redes con cargas monofásicas. Se necesitan Dos TC para cargas trifásicas.
Para las instalaciones que requieren conexión de múltiples unidades AccuSine, son necesarias consideraciones especiales.
Dimensiones de la unidad
Figura 1
Vista Frontal
8
Figura 2
Vista Lateral
Vista Frontal
Figura 3
Vista Lateral
Vista Frontal
Vista Lateral
Caso de estudio
Introducción
En una importante compañía de extrusión colombiana en la
ciudad de Bucaramanga con más de 21 años de liderazgo en el
mercado de tubería de alta presión para gas y agua, se presentó
un problema de compatibilidad electromagnética debido al
alto contenido de armónicos que generaba una de las líneas de
extrusión. En este caso de estudio se analizan los antecedentes y
se documenta los beneficios de la instalación de un filtro AccuSine.
Antecedentes y cálculos
El primer paso consistió en la elaboración de un análisis que
permitiera recoger los datos para el dimensionamiento del equipo.
A continuación se muestran las tendencias de THD en corriente y
tensión, así como el perfil de carga para la línea de extrusión en
estudio:
Comportamiento del THD en corriente
Comportamiento del THD en tensión
9
Comportamiento de la corriente total de carga
De esta forma se obtienen los datos clave:
Tensión del sistema
Corriente promedio
THD en corriente
Energía reactiva consumida
440 VAC
480A
30%
150kVAR
Mediante la siguiente fórmula es posible estimar la corriente rms armónica, es decir la
componente efectiva relacionada con las frecuencias no fundamentales:
IH =
Donde IRMS: THDi: IH:
I RMS
1
+1
2
THDi
Corriente total de carga.
Tasa de distorsión armónica en corriente.
Corriente efectiva armónica
De esta forma y con los datos obtenidos se estima la corriente armónica total:
IH =
480 A
= 113 ARMS
1
+1
0,30 2
El filtro activo Accusine compensa simultáneamente los armónicos y los reactivos
mediante inyección dinámica de corriente. La capacidad total de inyección del filtro está
dada por la siguiente relación:
I FILTRO = I H2 + I R2
Donde
10
IFILTRO: IH:
IR:
Capacidad requerida del filtro activo.
Corriente efectiva armónica requerida.
Corriente efectiva reactiva requerida
Así, se estima la corriente equivalente necesaria para compensar los 150kVAR que absorbe
la carga, asumiendo un factor de potencia objetivo unitario:
IR =
Qc
150.000kVAR
⇒
= 197 A
3 × VL − L
3 × 440V
Finalmente se calcula la capacidad del filtro requerido:
I FILTRO =
1332 + 197 2 = 227 A
De esta forma para esta aplicación se eligió un filtro activo Accusine de 300 amperios. Los
cálculos se pueden comprobar con la herramienta de cálculo disponible en
www.schneider-electric.com.co
Resultados
Para verificar la eficacia y rendimiento del filtro activo, se tomaron medidas en el sistema,
deteniendo su operación durante un tiempo y así poder notar los cambios en el sistema y
el efecto del filtro.
A continuación se muestran los resultados:
Accusine Off
Accusine On
Comportamiento de la distorsión en corriente con y sin filtro en operación.
Accusine Off
Accusine On
Comportamiento de la corriente total de carga
11
• Con los resultados se evidencia los beneficios del filtro activo desde el instante mismo de
ponerlo en operación.
El resumen de variables se muestra en la siguiente tabla:
Tensión del sistema
Corriente promedio
THD en tensión
THD en corriente
Factor de potencia total
SIN ACCUSINE
440 VAC
480A
33%
30%
0,65
CON ACCUSINE
440 VAC
360A
4,5%
5%
0,96
• La corriente rms total disminuye dramáticamente ya que se elimina la componente
adicional que generan los armónicos. De esta forma disminuyen las pérdidas por
calentamiento en conductores y devanados, las pérdidas en núcleo de transformador,
consiguiendo importantes ahorros de energía.
• La instalación cumple con todos los requisitos de compatibilidad electromagnética y
normas aplicables sobre contaminación armónica.
• El desempeño del equipo es totalmente independiente del nivel de carga de la
instalación.
Schneider Electric de Colombia S.A.
Centro de Atención Clientes
Bogotá: 4269733
Resto del país: 01900 33 12345
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