Eliminación de armónicos en instalaciones
Índice Armónicos .......................................................................2 Armónicos Definición, origen y tipos de armónicos ................................................2 Valores armónicos característicos ..................................................... ...5 Efectos de los armónicos .....................................................................7
Eliminación de armónicos .............................................. armónicos ..............................................12 12 Estrategias frente a los armónicos .......................................................12 Aceptación de los armónicos armónicos................................................................12 ................................................................12 Soluciones de Schneider Electric para eliminar los armónicos ............13
AccuSine Acondicionadoress de armónicos activos ..................... Acondicionadore activos .....................14 14 Procedimiento para implementar el acondicionamiento activo .............20
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Armónicos (cont.) Definición, origen y tipos de armónicos
Armónicos Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales con una frecuencia que es un múltiplo entero (k) de la frecuencia del sistema de distribución, denominada frecuencia fundamental (50 o 60 Hz). Cuando los armónicos se combinan con la corriente o la tensión fundamental sinusoidal respectivamente, distorsionan la forma de onda de la corriente o la tensión (consultar Fig. 3.1). Los armónicos se identifican generalmente como Hk, donde la k es el orden de los armónicos. • IHk o UHk indican el tipo de armónico (corriente o tensión). • IH1 o UH1 designan la corriente o la tensión sinusoidal a 50 o 60 Hz cuando no hay armónicos (corriente o tensión fundamental).
H1 (50 Hz)
H3 (150 Hz)
H1 + H3
Fig. 3.1. Distorsión de H1 (fundamental) en H3 (armónico de tercer orden).
Las cargas no lineales como causa Los equipos que cuentan con electrónica de potencia son la principal causa de los armónicos. Para alimentar la electrónica con potencia en CC, el equipo cuenta con una fuente de alimentación conmutada con un rectificador en la entrada que obtiene las corrientes armónicas. Algunos ejemplos son los ordenadores, los motores de velocidad variable, etc. Otras cargas distorsionan la corriente debido a su principio operativo y también producen armónicos. Algunos ejemplos son los fluorescentes, las lámparas lámparas de descarga, las máquinas máquinas soldadoras y los dispositivos de núcleo magnético que se pueden saturar. Todas las cargas que distorsionan la corriente sinusoidal normal producen armónicos y se denominan cargas no lineales.
PC
Motor de velocidad variable
Lámpara fluorescente
Fig. 3.2. Ejemplos de cargas no lineales que producen armónicos.
Cargas lineales y no lineales La alimentación de la red eléctrica proporciona 50/60 Hz de tensión sinusoidal a las cargas. La forma de onda de la tensión proporcionada por la fuente como respuesta a las necesidades de carga depende del tipo de carga.
Cargas lineales
La corriente que se obtiene es sinusoidal con la misma frecuencia que la tensión. La corriente puede estar desplazada (ángulo ϕ) con respecto a la tensión. • La ley de Ohm define una relación lineal entre la tensión y la corriente (U = ZI) con un coeficiente constante, la impedancia de la carga. La relación entre la corriente y la tensión es lineal. Algunos ejemplos son las bombillas estándar, los calefactores, calefactores, las cargas resistivas, resistivas, los motores o los transformadores. Schneider Electric
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Armónicos (cont.) • Este tipo de carga no contiene componentes electrónicos activos, sino únicamente resistencias (R), inductores (L) y condensadores (C).
Cargas no lineales • La corriente consumida por la carga es periódica, pero no sinusoidal. La forma de onda de la corriente queda distorsionada por la corriente de los armónicos. • La ley de Ohm que define la relación entre la corriente y la t ensión total (1) ya no es válida porque la impedancia de la carga varía más de un periodo (consultar Fig. 3.3). La relación entre la corriente y la tensión no es lineal. • La corriente consumida por la carga es, de hecho, la combinación de: - Una corriente sinusoidal denominada fundamental, a una frecuencia de 50 o 60 Hz. - Armónicos, que son corrientes sinusoidales de una amplitud inferior a la de la fundamental, pero cuya frecuencia es un múltiplo de la fundamental que define el orden del armónico [por ejemplo, el armónico de tercer orden tiene una frecuencia de 3 x 50 Hz (o 60 Hz)]. (1) La ley de Ohm se aplica a cada tensión y corriente del mismo orden armónico, Uk = Zk Ik, donde Zk es la impedancia de carga para un orden específico, pero ya no es válida para la corriente y la tensión total.
Cargas lineales, cargas no lineales, ver cap. 1 pág. 11 "Calidad de alimentación con SAI".
Un ejemplo son las cargas RCD (resistencia, condensador, diodo) que se encuentran en la mayoría de las fuentes de alimentación que se utilizan en dispositivos electrónicos. ● El condensador C, en ciertas condiciones de estado estable, solo se carga cuando la tensión de línea instantánea es superior a la tensión de sus terminales. ● A partir de ese punto, la impedancia de carga es baja (diodo activado). Antes, la impedancia era alta (diodo desactivado). ● Por tanto, la impedancia de una carga no lineal varía en función de la tensión de sus terminales. ● La impedancia no es constante y la tensión y la corriente ya no son sinusoidales. ● La forma de la corriente es más compleja y se puede representar, utilizando el teorema de Fourier, añadiendo: - Una corriente con la misma frecuencia f que la tensión, denominada fundamental. - Otras corrientes con las frecuencias kf (k es un número entero > 1) denominadas armónicas. ● La figura muestra una idea general de la corriente de carga con solo dos órdenes de armónicos, IH3 e IH5.
Fig. 3.3. Tensión y corriente para cargas no lineales
Tipos de armónicos y aspectos específicos de los armónicos de secuencia cero Tipos de armónicos
Las cargas no lineales causan tres tipos de corrientes armónicas, todas en órdenes impares (porque la sinusoidal es una función "impar"). • Armónicos H7 - H13 - …. : secuencia positiva. • Armónicos H5 - H11 - …. : secuencia negativa. • Armónicos H3 - H9 - …. : secuencia cero.
Aspectos específicos de los armónicos de secuencia cero (H3 y múltiplos) Las corrientes de armónicos de secuencia cero [H3 y múltiplos impares, escritos como 3(2k+1) donde k es un entero] en sistemas trifásicos se añaden en el conductor neutro. Esto se debe a que su orden 3(2k+1) es un múltiplo del número de fases (3), lo cual significa que coinciden con el desplazamiento (un tercio de un periodo) de las corrientes de fase. Schneider Electric
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Armónicos (cont.) La Figura 3.4 ilustra este fenómeno en un periodo. La corriente de las tres fases se desplaza un tercio de un periodo (T/3), es decir, los armónicos IH3 respectivos están en la fase y se añaden los valores instantáneos. En consecuencia: • Cuando no hay armónicos, la corriente del neutro es igual a cero: IN = I1+I2+I3 = 0 • Cuando hay armónicos, la corriente del neutro es igual a: I1 + I2 + I3 = 3 IH3 . Por tanto, debe prestarse especial atención a este tipo de armónicos en las instalaciones con un neutro distribuido (aplicaciones de infraestructuras y comerciales).
Fig. 3.4. Los armónicos de tercer orden y sus múltiplos se añaden en el neutro.
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Armónicos (cont.)
Fig. 3.5. Cuando hay armónicos H3 y sus múltiplos impares, l a corriente del neutro ya no es igual a cero, sino la suma de los armónicos de secuencia cero.
Valores armónicos característicos Consultar WP 17
El análisis armónico de una corriente no lineal consiste en determinar: • Los órdenes de los armónicos presentes en la corriente. • La importancia relativa de cada orden armónico. Abajo se detallan algunos valores armónicos característicos y relaciones fundamentales que se utilizan en el análisis de armónicos. Para más información sobre los armónicos, ver cap. 5 y las explicaciones del Documento Técnico WP 17 "Understanding Power Factor, Crest Factor and Surge Factor" ("Comprensión del factor de potencia, el factor de cresta y el factor de sobretensión").
Valor eficaz de los armónicos Es posible medir el valor eficaz de cada orden de armónicos porque las diferentes corrientes armónicas son sinusoidales, pero con diferentes frecuencias que son múltiplos de la frecuencia fundamental. • IH1 es el componente fundamental (50 o 60 Hz). • IHk es el componente armónico en el que k es el orden de armónicos (k veces 50 o 60 Hz). El análisis de los armónicos se utiliza para determinar los valores.
Corriente eficaz total Irms = IH12 + IH22 + IH3 2 + ... + IHk 2 + ...
Armónicos individuales Cada armónico se expresa como porcentaje, es decir la proporción de su valor eficaz con respecto al valor eficaz del fundamental. Esta proporción es el nivel del armónico individual. 100
Hk% = distorsión del armónico k =
IHk IH1
Distorsión armónica de tensión y corriente Las cargas no lineales generan armónicos tanto de tensión como de corriente. Esto se debe a que, para cada armónico de corriente de carga, hay un armónico de tensión de alimentación con la misma frecuencia. Como consecuencia, los armónicos también distorsionan la tensión. La distorsión de una onda sinusoidal se presenta en forma de porcentaje: rms value of allharmonics rms value of fundamental THD* % = distorsión total = 100 * Distorsión armónica total (THD). Schneider Electric
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Armónicos (cont.) Se definen los siguientes valores: • TDHU % para la tensión, basada en los armónicos de tensión. • TDHI % para la corriente, basada en los armónicos de corriente. El valor de THDI (o de THDU con valores UHk) se mide con la siguiente ecuación: THDI % = 100
IH22 + IH3 2 + IH4 2 + ... + Hk 2 + ... IH1
Factor de cresta El factor de cresta (Fc), utilizado para caracterizar la forma de la señal (corriente o tensión), es la proporción entre el valor pico y el valor eficaz. Fc =
peak value rms value
A continuación se indican los valores típicos para diferentes cargas: • Carga lineal: Fc = 2 = 1,414 • Estructura principal: Fc = de 2 a 2,5 • Microordenadores: Fc = de 2 a 3
Espectro de la corriente armónica La definición del espectro de una corriente armónica consiste en determinar la forma de onda de la corriente y los armónicos individuales, así como ciertos valores como el THDI y el Fc. Armónicos individuales H5 = 33% H7 = 2,7% H11 = 7,3% H13 = 1,6% H17 = 2,6% H19 = 1,1% H23 = 1,5% H25 = 1,3% THDI = 35% Fc = 1,45 Corriente de entrada de un rectificador trifásico.
Espectro armónico y THDI correspondiente.
Fig. 3.6. Espectro armónico de la corriente producida por una carga no lineal.
Factor de potencia Factor de potencia El factor de potencia es la proporción entre la potencia activa (kW) y la potencia aparente S (kVA) de los terminales de una carga no lineal.
λ=
P (kW ) S (kVA )
No es el desplazamiento de fase entre la tensión y la corriente, puesto que ya no son sinusoidales.
Desplazamiento entre la tensión y la corriente fundamentales
El desplazamiento de fase ϕ1 entre la tensión y la corriente fundamentales, ambas sinusoidales, se puede definir como: P1 (kW ) cos ϕ1 = S1 (kVA ) P1 y S1 son la potencia activa y aparente, respectivamente, del valor fundamental.
Factor de distorsión
El factor de distorsión se define como: v
=
1−
1
1+ THDI
2
=
λ cos ϕ 1
(como se define en IEC 60146). Cuando no hay armónicos, este factor es 1 y el factor de potencia es simplemente el cos ϕ. Schneider Electric
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Armónicos (cont.) Potencia Carga lineal En los terminales de una carga lin eal trifásica equilibrada, proporcionada con una tensión fase a fase U y una corriente I, donde el desplazamiento entre U e I es ϕ, los valores de potencia son: • P aparente = S = UI, en kVA • P activa = S cos ϕ, en kW • P reactiva = Q = S sin ϕ, en kVAr S=
P 2 + Q2
Carga no lineal En los terminales de una carga no lineal, la ecuación para P es mucho más compleja porque U e I contienen armónicos. No obstante, se puede expresar simplemente como: • P = S λ (λ = factor de potencia) Para los valores fundamentales U1 e I1, desplazados por ϕ1: • P fundamental aparente = S1 = U1 I1 3 • P fundamental activa = P1 = S1 cos ϕ1 • P fundamental reactiva Q1 = S1 sin ϕ1 S=
Efectos de los armónicos En los dispositivos eléctricos, los
armónicos no producen potencia activa ni reactiva, solo pérdidas por el efecto 2 Joule (ri ).
Consultar WP 26
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P12 + Q12 + D2
D es la potencia de distorsión debida a los armónicos.
Pérdida de potencia aparente La Figura 3.7 muestra que el producto de multiplicar una tensión en la frecuencia fundamental sin armónicos por una corriente de tres armónicos es cero al final de un periodo. Esto se cumple independientemente de cuáles sean la fase y el orden d el armónico. S = P12 + Q12 + D2 Esto se expresa mediante la relación Una parte de la potencia aparente la consumen los armónicos, sin ningún resultado. • En los dispositivos giratorios, el par de apriete del motor resultante es igual a cero y solo existe un par de apriete intermitente parasitario, que crea vibraciones. • La única potencia activa presente durante una caída de tensión es el calor que 2 produce la corriente armónica (Ihk) en un conductor con resistencia r (r IHk ). Consulte el Documento Técnico WP 26 “Hazards of Harmonics and Neutral Overloads” (“Peligros de los armónicos y las sobrecargas neutras”) para obtener más información.
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Armónicos (cont.)
Fig. 3.7. Multiplicaciones de U x I para los valores fundamentales (arriba) y los fundamentales con armónicos (abajo).
El
aumento de la temperatura debido a las corrientes armónicas se suma al aumento de temperatura debido a la
Aumento de la temperatura de los cables El aumento de temperatura de los cables se expresa como: ∞
∑IHn
r
Pérdidas = El
neutro debe sobredimensionarse para tener en cuenta las corrientes de armónicos de tercer orden y sus múltiplos.
2
n =1
Corriente en el neutro Todas las corrientes de armónicos de tercer orden y sus múltiplos impares se añaden en el neutro (consultar Fig. 3.8). La corriente del neutro puede ser hasta 1,7 veces la de las fases.
Consecuencias Pérdidas significativas en el neutro 2 r Ineutro = aumento de temperatura en el neutro
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Armónicos (cont.)
Fig. 3.8. Los armónicos de tercer orden y sus múltiplos se añaden en el neutro.
Cargas autocontaminantes La
distorsión de la tensión refleja la de la corriente y aumenta al ritmo de la suma de las impedancias aguas arriba de la carga no lineal.
El valor THDI de la distorsión de la corriente, causado por la carga, genera el valor THDU de la distorsión de la tensión causado por las corrientes armónicas que fluyen por las diferentes impedancias de la fuente hacia abajo. La Figura 3.9 muestra las diferentes formas de distorsión en una instalación eléctrica común.
Fig. 3.9. Efectos de los armónicos en la instalación.
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Armónicos (cont.) Riesgo de avería del condensador En resumen, cuanto mayor sea el
contenido de los componentes de orden superior de la tensión, peor será el estado del condensador. A menudo es necesario utilizar condensadores reforzados.
El valor de la corriente de un condensador es: .I = U C ω Para una corriente armónica de orden k, la frecuencia angular es igual a ω = 2π k f, y la corriente es igual a: .I = 2 π k f U C donde f = frecuencia fundamental y k = orden de armónicos. El valor de la corriente aumenta con k. Además, para una frecuencia armónica, también puede haber resonancia (1) del condensador (capacitancia C) con la inductancia equivalente (L) de la fuente (transformador, básicamente inductivo) en paralelo con la de las otras cargas suministradas. Este circuito resonante (consultar Fig. 3.10) amplifica notablemente la corriente armónica del orden correspondiente, de modo que empeora el estado del condensador. (1) Esto ocurre si, para un orden armónico k, con una frecuencia fk = k x 50 (o 60) Hz, LC ωk 1, donde ω= 2 π fk.
2 ˜
IH
Source impedance (transformer) in parallel with that of other loads supplied
harmonic currents
L
resonant LC circuit
C
All non-linear loads
Fig. 3.10. Efectos de los armónicos con condensadores, riesgo de resonancia.
Consecuencias • Riesgo de avería del condensador. • Riesgo de resonancia por la p resencia de inductores. Deben respetarse ciertos límites: • U máx. = 1,1 Un • I máx. = 1,3 In • THDU máx. = 8% • Selección del tipo de condensador, en función del caso, es decir estándar, de clase h (aislamiento reforzado), con inductores armónicos.
Desclasificación de los transformadores En
términos generales, los armónicos crean una desclasificación de la fuente que es inversamente proporcional al factor de alimentación de carga, es decir, cuanto menor sea el factor de potencia, más deberá
Se combinan una serie de efectos: • Debido al efecto del revestimiento, la resistencia de un bobinado del transformador aumenta con el orden de los armónicos. • Las pérdidas ocasionadas por la histéresis son proporcionales a la frecuencia. • Las pérdidas debidas a las corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado de la frecuencia.
Consecuencias De
acuerdo con la norma NFC 52-114, la potencia d e los transformadores debe desclasificarse aplicando un coeficiente k a su potencia nominal, como: 1
k=
n= ∞
∑H n
2 1,6 n
1 + 0,1
n= 2
Se trata de una ecuación empírica. Otras normas nacionales recomiendan la desclasificación utilizando un factor k similar que depende del país (p. ej. BS 7821 Parte 4, IEE 1100-1992).
Ejemplo Un transformador de 1.000 kVA ofrece un puente rectificador de seis pulsos que genera los siguientes armónicos: H5 = 25%, H7 = 14%, H11 = 9%, H13 = 8%. El coeficiente de desclasificación es k = 0,91. En consecuencia, la potencia aparente del transformador es de 910 kVA.
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Armónicos (cont.)
Riesgo de generadores con perturbaciones En términos prácticos, el valor
THDI de la corriente del generador no debe superar el 20%. Por encima d e ese porcentaje, es necesario desclasificar.
De un modo similar a los transformadores, los generadores sufren mayores pérdidas debido a la histéresis y las corrientes de Foucault. • La reactancia subtransitoria X"d aumenta en función de la frecuencia. • El campo giratorio "armónico" rastrea el rotor a una frecuencia diferente a la frecuencia de sincronismo (50 o 60 Hz).
Consecuencias • Creación de un par de apriete parasitario que reduce la eficacia de la conversión de mecánico a eléctrico. • Pérdidas adicionales en los bobinados del inductor y el humectador del rotor. • Presencia de vibración y ruido anormal.
Pérdidas en los motores asíncronos Los armónicos producen los siguientes efectos en los motores asíncronos: • Aumentos en las pérdidas en hierro y Joule (pérdidas de estátor). • Par de apriete intermitente (pérdidas de rotor con disminución de la eficacia mecánica). El valor de THDU debe ser inferior al 10% para limitar este fenómeno.
Efectos en otros equipos Los armónicos también pueden perturbar el funcionamiento de los siguientes equipos: • Unidades de disparo no eficaz, que ocasionan la molesta desconexión de los disyuntores • Centrales telefónicas automáticas • Alarmas • Dispositivos electrónicos sensibles • Sistemas de control remoto
Efectos en sistemas SAI recientes Los sistemas SAI modernos tienen frecuencias de recorte elevadas (PWM) y una impedancia de salida muy baja (equivalente a un transformador cinco veces más potente). En comparación con las cargas no lineales, estos SAI ofrecen: • Pérdidas limitadas • Funcionamiento en modo de limitación de corriente • Distorsión de tensión muy baja (THDU < 3%) Los SAI son un medio excelente para ofrecer cargas no lineales.
Conclusión Los armónicos pueden tener efectos nocivos en las instalaciones eléctricas y en la calidad del funcionamiento. Por ello, las normas internacionales estipulan niveles de compatibilidad de armónicos cada vez más precisos para los equipos y establecen límites para el contenido armónico de los sistemas de distribución públicos. Para conocer las normas sobre los armónicos, ver cap. 5 p. 28 "Normas del SAI". En las páginas siguientes se presentan las distintas estrategias frente a los armónicos y la utilidad de los acondicionadores de armónicos activos AccuSine.
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Eliminación de armónicos Estrategias frente a los armónicos
Hay dos estrategias: • Aceptar y vivir con los armónicos, lo cual significa básicamente que hay que sobredimensionar los equipos para tener en cuenta los armónicos. • Eliminar los armónicos, parcial o totalmente, utilizando filtros acondicionadores de armónicos activos.
Aceptación de los armónicos
Sobredimensionamiento de los equipos
Consultar WP 38
Dado que los efectos negativos de las corrientes armónicas aumentan con la impedancia acumulativa de los cables y las fuentes, la solución obvia es limitar la impedancia total para reducir tanto la distorsión de la tensión como el aumento de la temperatura. La Figura 3.11 muestra los resultados cuando se doblan las secciones transversales de los cables y la potencia nominal de la fuente. Puesto que el valor de THDU depende principalmente del componente inductivo y, por tanto, de la longitud de los cables, está claro que esta solución no es muy eficaz y que simplemente limita el aumento de la temperatura. La Figura 3.12 muestra que para las corrientes armónicas más fuertes (H3 a H7), la proporción Lω/R es igual a 1 para los cables con una sección transversal de 36 mm². En consecuencia, por encima de los 36 mm², es necesario reducir la impedancia utilizando un cable multinúcleo para crear impedancias paralelas. Para los centros de datos, consulte “Harmonic Currents in the Data Center: A Case Study” (“Corrientes armónicas en el centro de datos: estudio monográfico").
Fig. 3.11. Aumento de las secciones transversales de los cables para limitar la distorsión y las pérdidas.
Fig. 3.12. Influencia de la sección transversal del cable en L ω/R. Schneider Electric
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Eliminación de armónicos (cont.)
Soluciones de Schneider Electric para eliminar los armónicos
Existen diferentes tipos de soluciones para eliminar los armónicos. Filtros, ver cap. 1 p. 27 “ Selección de un filtro” .
Filtros pasivos Los filtros LC pasivos se ajustan a la frecuencia que debe eliminarse o atenúan una banda de frecuencias. Los sistemas de recombinación armónica (doble puente, cambio de fase) también se pueden incluir en esta categoría. • A petición, Schneider Electric puede integrar este tipo de filtro en sus soluciones. Los filtros pasivos tienen dos inconvenientes principales: • La eliminación de los armónicos solo es eficaz para una instalación específica, es decir, la incorporación o eliminación de cargas puede interrumpir el sistema de filtrado. • A menudo son difíciles de implementar en las instalaciones que ya existen.
Filtros activos / acondicionadores de armónicos activos Los filtros activos, también denominados acondicionadores de armónicos activos, como AccuSine, cancelan los armónicos inyectando corrientes armónicas exactamente iguales donde surgen. Este tipo de f iltros reaccionan en tiempo real (es decir, de forma activa) frente a los armónicos existentes para eliminarlos. Son más eficaces y flexibles que los filtros pasivos, evitan sus inconvenientes y, en comparación, constituyen una solución que: • Ofrece un gran rendimiento (es posible el iminar totalmente los armónicos, hasta el º orden 50 ). • Es flexible y se puede adaptar (posibilidad de configurar la acción) y reutilizar.
Tabla de resumen de las posibles estrategias frente a los armónicos Estrategia Ventajas Aceptación de los armónicos
Inconvenientes
Aumento de los valores nominales de las fuentes o las secciones transversales de los cables
Difícil en las soluciones existentes. Solución costosa que se limita a reducir el componente resistivo de las secciones transversales pequeñas (la inductancia permanece constante). Requiere cables paralelos para las secciones transversales grandes. No evita las perturbaciones aguas arriba de la instalación. No cumple las normas. Igual que el punto anterior.
Alimentación especial para cargas no lineales
Reducción del valor THDU de la alimentación mediante la reducción de la impedancia de la fuente. Reducción de las pérdidas Joule. Limita las perturbaciones en cargas colindantes mediante el desacoplamiento.
Soluciones de Schneider Electric
Armónicos eliminados parcialmente Solo para una o dos órdenes de armónicos. Los filtros Gama de filtros pasivos de banda ancha no son muy eficaces. Posibilidad de Incluye soluciones de doble puente y resonancia. Se necesita un trabajo de diseño costoso. cambio de fase. Inductores aguas arriba Reducción de las Aumento del valor de THDU en los terminales de la de las cargas no lineales corrientes armónicas. carga. Limita los efectos de las sobretensiones transitorias. Transformadores Eliminación solo de ciertos órdenes de armónicos. especiales Construcción no estándar. Filtros pasivos ajustados Solución sencilla.
Armónicos eliminados completamente Acondicionadores de armónicos activos
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Solución sencilla y flexible
Es posible eliminar los armónicos totalmente (hasta el º orden 25 ), sistema adaptable (configuración de la acción) y reutilizable.
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Acondicionadores activos AccuSine
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AccuSine Acondicionadores de armónicos activos Acondicionadores activos AccuSine
Características de AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos AccuSine Los acondicionadores de armónicos activos AccuSine constituyen un enfoque más general del problema de los armónicos. Estos filtros activos no solo son para una unidad SAI, sino que están diseñados para eliminar los armónicos de toda la instalación. AccuSine se adapta especialmente bien a las aplicaciones industriales y de infraestructuras de media potencia, y ofrece corrientes acondicionadoras de 20 a 480 A en sistemas trifásicos con un neutro. Estas soluciones se describen en la siguiente sección. La tabla siguiente resume las principales características.
Gama
Nivel Sistemas Características de de 50/60 Hz principales potenci a
Aplicaciones
AccuSine
De 20 a 480 A
Filtrado de sistemas industriales, comerciales y de infraestructuras de media potencia, 3Ph+N y 3 Ph, cargas monofásicas
De 380 a 415 V 3 Ph+N y 3 Ph
● Filtrado
hasta H25
● Acondicionamiento
activo digital con: - Análisis y acondicionamiento de órdenes individuales - Tiempo de respuesta de 40 ms para fluctuaciones de carga
Ventajas del acondicionamiento de armónicos activos AccuSine • Solución de banda ancha de H2 a H25 con acondicionamiento individual de cada fase. • Es posible seleccionar órdenes de armónicos individuales para acondicionamiento. • No existe riesgo de sobrecargas, límites de acondicionamiento en la potencia nominal máxima, aunque la alimentación de carga supere el valor nominal. • Se adapta automáticamente a todos los tipos de cargas, monofásicas y trifásicas. • Compatible con todas las disposiciones de conexión a t ierra del sistema. • Corrección de factor de potencia. • Económico, cuando los armónicos están cortados por la mitad, las pérdidas se reducen cuatro veces. • Se puede reutilizar en otras instalaciones. • Se puede actualizar con unidades conectadas en paralelo. • Muy compacto. • Instalación sencilla, con transformadores de corriente aguas arriba y aguas abajo.
Principio de funcionamiento La fuente alimenta exclusivamente el componente fundamental (IF) de la corriente de carga. El acondicionador activo mide en tiempo real los armónicos (IH) producidos por la carga y los alimenta. Aguas arriba del punto A, donde se ha conectado el acondicionador, la corriente fundamental IF no se alta, y aguas abajo la carga obtiene la alimentación de la corriente no lineal IF + IH.
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AccuSine Acondicionadores de armónicos activos
IF
IF + IH A
Source
Injection of compensation current
Non-linear load
IH
Active harmonic conditioner
Measurement of load harmonics
Fig. 3.13. Acondicionamiento armónico de AccuSine.
Modos de funcionamiento
Modo digital, acondicionamiento de órdenes individuales El modo de funcionamiento básico de AccuSine es digital, con un sensor de corriente, conversión analógica/digital de las mediciones de corriente y cálculo en tiempo real del espectro armónico. Esta información se suministra al inversor para la compensación de los órdenes de armónicos individuales. El tiempo de respuesta para l as fluctuaciones de la carga es de 40 ms (dos ciclos).
Diagrama operativo La potencia necesaria para el acondicionamiento se obtiene del sistema de distribución trifásico y se almacena en el inductor L y los condensadores cargados con +Vm y -Vm respectivamente (consultar Fig. 3.14). En función del signo de la corriente armónica que se necesite, se modula la anchura de impulsos de un condensador u otro. Esto significa que puede utilizarse la misma conexión con sistema de alimentación para obtener la alimentación e inyectar los armónicos. La potencia enviada a la carga depende de: • Los valores armónicos medidos. • Los requisitos del usuario, definidos durante la configuración del sistema: eliminación de los órdenes de armónicos y corrección del factor de potencia (sí o no). El transformador actual, combinado con un convertidor analógico/digital, determina el espectro (fundamental y armónicos) de la corriente que alimenta la carga. En función de estos valores y el programa de selección, un procesador prepara los comandos para el inversor, para la ejecución de una fase tras las mediciones. La corrección del factor de potencia se obtiene generando una corriente fundamental +90° de la fase con la tensión.
Fig. 3.14. Funcionamiento de AccuSine.
Opciones En sistemas 3Ph o 3 ph+N, el usuario puede decidir si se acondicionarán: • Todos o solo algunos armónicos hasta H25. • El factor de potencia Schneider Electric
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AccuSine Acondicionadores de armónicos activos AccuSine
siempre se suministra con potencia trifásica, pero puede acondicionar cargas monofásicas, es decir, armónicos de secuencia cero 3k.
Modos de instalación Modo en paralelo Pueden conectarse hasta cuatro acondicionadores de armónicos activos AccuSine en paralelo en el mismo punto de la instalación. Es el modo de aumentar la capacidad de acondicionamiento de armónicos o la disponibilidad del sistema. Para las instalaciones en paralelo, se necesita un único conjunto de sensores en el circuito acondicionado y se utiliza una conexión por cable para enviar las mediciones de la corriente de carga a los distintos acondicionadores. Si un acondicionador se cierra, los acondicionadores restantes siguen acondicionando los armónicos, dentro de los límites de su capacidad de acondicionamiento nominal.
Fig. 3.15. Funcionamiento en paralelo de tres acondicionadores de armónicos activos AccuSine.
Modo en cascada o en serie Es posible el funcionamiento en modo "cascada" o "en serie", pero requiere determinados parámetros para evitar interacciones entre l os diferentes acondicionadores. El acondicionador aguas abajo generalmente acondiciona una carga de alta potencia. El dispositivo aguas arriba acondiciona los demás circuitos de salida de baja potencia y, si es pertinente, los armónicos residuales que no se hayan acondicionado con el primer acondicionador.
Fig. 3.16. Acondicionadores de armónicos activos AccuSine en modo en cascada.
Modo de varios circuitos En este modo, un solo acondicionador puede acondicionar hasta tres circuitos de salida. Se necesita un conjunto de sensores para cada circuito acondicionado y todos están conectados a AccuSine. Esta configuración resulta muy útil cuando los armónicos están concentrados en un número reducido de circuitos.
Fig. 3.17. Un acondicionador activo AccuSine para varios circuitos. Schneider Electric
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AccuSine Acondicionadores de armónicos activos Posición en la instalación
Acondicionamiento total (o centralizado) El acondicionador de armónicos activo se conecta solo aguas abajo de las fuentes, generalmente en el nivel de cuadro de conexión de tensión baja principal.
Acondicionamiento parcial El acondicionador de armónicos activo se conecta en el nivel del cuadro de conexión principal o secundario y acondiciona un conjunto de cargas.
Acondicionamiento local El acondicionador de armónicos activo se conecta directamente a los terminales de cada carga.
Fig. 3.18. Tres posibles puntos de instalación de AccuSine, en función de los requisitos del usuario.
Tipo de acondicionamiento Total (nivel de cuadro de conexión de tensión baja principal)
Parcial (nivel de cuadro de conexión secundario)
Local (nivel de carga)
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Ventajas
Comparación de las posibilidades de instalación Inconvenientes Aplicaciones
Económico. Libera los generadores (transformadores, generadores).
Evita sobredimensionar los cables entre los cuadros de conexión principal y secundario. La recombinación de ciertos armónicos podría reducir el valor nominal del acondicionador. Elimina los armónicos donde tienen lugar. Reduce las pérdidas en todos los cables, hasta la fuente.
Los armónicos permanecen en la parte aguas abajo de la instalación. Los cables deben sobredimensionarse. Los armónicos permanecen entre el cuadro de conexión secundario y la carga no lineal. El cable de salida a la carga debe sobredimensionarse. Costoso cuando se requieren unos cuantos acondicionadores.
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Cumplimiento con los requisitos de alimentación. Evita inyectar los armónicos aguas arriba de la instalación. Edificios grandes. Acondicionamiento espaciado regularmente en cada planta o conjunto de plantas. Varios circuitos que alimentan las cargas no lineales. Para las instalaciones en que hay pocas cargas no lineales y de alta potencia con respecto a las demás cargas. Por ejemplo, grandes unidades de velocidad variable, SAI de alta potencia, compartimentos de servidor, iluminación, SAI de alta potencia o sistemas de iluminación fluorescentes. pág. 17
AccuSine Acondicionadores de armónicos activos A efectos prácticos • El acondicionamiento total no plantea problemas de cálculo. • El acondicionamiento parcial requiere una serie de precauciones. • Para todas las cargas RCD no compensadas (unidades de velocidad variable de alta potencia sin inductores para aplicaciones de par de apriete variable), el acondicionamiento local solo puede garantizar un valor de THDU que no supere ciertos límites para asegurar un funcionamiento correcto de la carga.
Posición de los transformadores de corriente aguas arriba y aguas abajo En la mayoría de los modos de instalación anteriores, pueden utilizarse con AccuSine dos tipos de instalación del transformador de corriente.
Transformador de corriente aguas arriba de la carga Esta es la situación más común.
IH
IF
IF + IH active harmonic conditioner
CT to measure load harmonics
non-linear load
Fig. 3.19. Instalación con un transformador de corriente aguas arriba de la carga.
Instalación de un transformador de corriente aguas arriba de AccuSine y un transformador de corriente en la entrada del cuadro de conexión Esta configuración simplifica las cosas cuando resulta difícil instalar un transformador de corriente en la línea aguas arriba de la carga. Los dos transformadores de corriente tienen características compatibles y complementarias. La diferencia entre las corrientes medidas determina la corriente de compensación necesaria. CT1 to measure source current
IH
IF
CT2 to measure conditioner current
IF + IH
information on current to be reinjected (différence CT1 - CT2)
active harmonic conditioner
non-linear load
Fig. 3.20. Instalación con dos transformadores de corriente, uno en la entrada del cuadro de conexión y el otro aguas arriba del acondicionador.
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AccuSine Acondicionadores de armónicos activos Ventajas de AccuSine Eliminación de las corrientes armónicas acondicionadas Para los armónicos seleccionados, AccuSineestá diseñado para ofrecer una ruta para las corrientes de armónicos prácticamente sin impedancia con respecto a la de la fuente. Esto elimina su flujo aguas arriba hacia la fuente. La Figura 3.21 muestra AccuSineentre las dos secciones de línea ZL1 y ZL2, que proporciona una carga RCD estándar que puede ser monofásica o trifásica (fuente de alimentación conmutada o unidad de velocidad variable). Se eliminan las corrientes de armónicos IHn que anteriormente fluían a través de las impedancias Zs y ZL1 aguas arriba del punto de instalación de AccuSine. La fuente ahora alimenta exclusivamente la corriente fundamental If. AccuSine alimenta las corrientes armónicas IHn en la carga, al medir continuamente los armónicos que se obtienen de la carga.
Fig. 3.21. AccuSine modifica la corriente aguas arriba de este punto de instalación.
Reducción del valor de THDU en el punto de instalación Aguas arriba de AccuSine, se eliminan las corrientes armónicas IHn seleccionadas º (todas o solo algunos de los armónicos hasta el 25 ). La distorsión armónica total aguas arriba del punto de instalación se calcula como (ver cap. 4, pág. 49): ∞
∑ UH
n
THDU % = 100
2
n =2
UH1
donde UHn es la caída de tensión correspondiente al valor IHn armónico. La eliminación de la corriente armónica de un orden específico elimina la tensión armónica del mismo orden (1). El resultado es una importante reducción en el valor de THDU mediante la selección de los armónicos más significativos. º Dado que por encima del orden 25 los armónicos individuales son insignificantes, el valor de THDU es prácticamente igual a cero y se elimina por completo la distorsión º si condiciona a todos los armónicos hasta el 25 . (1) Por el hecho de que UHn e IHn son componentes sinusoidales a una frecuencia nf (donde f es la frecuencia del fundamental), están relacionados por la ley de Ohm, y tienen en cuenta el valor de las impedancias afectadas (Zs y ZL1) con una frecuencia angular n ω. Por tanto: UHn = (Zs(nω) + ZL1(nω)) IHn. Para todos los armónicos acondicionados, IHn = 0 y en consecuencia UHn = 0.
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AccuSine Acondicionadores de armónicos activos Procedimiento para implementar el acondicionamiento activo
Conclusión sobre el acondicionamiento activo Los cálculos de acondicionamiento precisos requieren: • Un conocimiento preciso y exhaustivo de la instalación (fuentes, líneas y método de instalación). • Un conocimiento preciso de las cargas (curvas de armónicos y de desplazamiento en función de la impedancia de la fuente). • Herramientas de cálculo especiales. • Análisis y simulación.
Nuevas instalaciones Las normas estándar que rigen las instalaciones eléctricas siguen aplicándose, pero se requiere una evaluación de la distorsión de la tensión (THDU) donde f luyen las corrientes de armónicos. Esta evaluación es muy compleja y requiere un software de cálculo especial, así como un gran conocimiento de las cargas no lineales, en especial la distribución armónica en función de la impedancia aguas arriba. Schneider Electric cuenta con las herramientas de simulación necesarias para estos cálculos.
Instalaciones existentes Para las instalaciones existentes, para cualquier acción correctiva es imprescindible una evaluación precisa del sitio. La relación matemática entre la distorsión de la corriente y la tensión es compleja y depende de varios componentes de la instalación. El control del fenómeno de los armónicos requiere conocimientos y experiencia, así como software y herramientas especializados (analizador de espectro, software de cálculo para la distorsión en los cables, software de simulación, etc.). Sin embargo, aunque cada solución sea específica de un sitio específico, unos métodos rigurosos y unas técnicas profesionales adecuadas garantizan con toda probabilidad el funcionamiento correcto de la instalación.
Metodología Schneider Electric ha dominado todo el proceso de eliminación de los armónicos y propone un enfoque de tres pasos:
1. Auditoría del sitio 2. Determinación de la solución más adecuada 3. Instalación del sistema y comprobaciones
1. Auditoría del sitio
Diagrama de instalación Antes de iniciar una serie de mediciones, le sugerimos que dibuje un diagrama simplificado de la instalación, que incluya lo siguiente: • Tipos de equipos - Generadores: tipo, potencia nominal, tensión, Usc, X"d (grupo electrógeno de motor). - Transformadores de aislamiento: tensión, potencia nominal, tipo, Usc, acoplamiento. - Distribución: tipo de cables, longitud, sección transversal, método de instalación. - Cargas: potencia nominal, tipo. - Distribuciones de conexión a tierra del sistema en diferentes puntos de la instalación. • Modos de funcionamiento - Con alimentación de la red eléctrica. - Con grupos electrógenos de motor (alimentación de reserva o cogeneración). - Con SAI. • Modos de funcionamiento degradados - Sin redundancia. - Con alimentación de grupos electrógenos de motor. Este diagrama le permitirá localizar los diferentes puntos de medición e identificar las fases operativas críticas (para evaluación mediante simulación o cálculo).
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AccuSine Acondicionadores de armónicos activos Medidas Tras el paso anterior indispensable, puede comenzar la fase de medición, preferiblemente en la fuente y aguas abajo hacia las cargas con los armónicos, para limitar el número de mediciones. La calidad de las mediciones es más importante que la cantidad, y hace que el paso siguiente resulte más sencillo.
Estudio de instalación preliminar El primer paso finaliza con un estudio preliminar de la instalación: • Punto(s) de instalación de los acondicionadores • Condiciones de instalación para los disyuntores de protección • Instalación de sensores (con o sin alimentación) • Posibilidad de cerrar la carga • Espacio disponible • Evacuación de pérdidas (ventilación, aire acondicionado, etc.) • Restricciones ambientales (ruido, EMC, etc.)
2. Determinación de la solución más adecuada Los elementos anteriores se utilizan para determinar la solución óptima mediante: • Análisis de los resultados de mediciones • Simulación de las diferentes soluciones para el problema detectado • Determinación de la solución más adecuada • Creación de un informe de resumen de las soluciones propuestas
3. Instalación del sistema y comprobaciones Este último paso incluye: • Implementación de las soluciones seleccionadas • Comprobación de los niveles de rendimiento con respecto a los resultados garantizados • Creación de un informe de i nicio del sistema
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