SOBREVOLTAJES TRANSITORIOS PRODUCIDOS POR CONMUTACIÓN DE CAPACITORES EN REDES DE MOTORES CON MANDOS ELECTRÓNICOS. UN CASO REAL Fernando Toledo Toledo, José Dolores Juárez Cervantes Profesores titulares Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco Av. San Pablo 180, C.P. 02200, Azcapotzalco, D.F. tels. 5318-9050, 5318-9053, fax:5318-9055
RESUMEN En el presente trabajo se analiza y soluciona el problema que se presentó en EDITORIAL OFFSET con respecto a que el voltaje distorsionado de una red que alimenta motores controlados electrónicamente causó la falla de los puentes de rectificación. El problema de distorsión de voltaje es tan elevado que los picos impiden mantener el ángulo de ignición de las válvulas del rectificador y éste termina quemándose. En el análisis se encontró que los capacitores son un factor importante en el incremento de la distorsión, sobre todo en los transitorios. Se anexan los resultados de las mediciones efectuadas antes y después de la solución del problema. INTRODUCCIÓN La empresa Editorial offset tiene una capacidad instalada de 2500 kVA, con dos transformadores de 1000 kVA y uno de 1000 kVA. Tiene cuatro motores de 200 HP y cuatro de 75 HP. El diagrama unifilar se ilustra en la fig. 1. En los motores de 200 HP se tienen bancos de capacitores para la compensación de potencia reactiva de 54 MVAR. El origen de las sobretensiones en la redes eléctricas puede ser descargas atmosféricas, operación de interruptores y switcheo de bancos de capacitores. Los capacitores se usan ampliamente para la corrección del factor de potencia y para mantener el voltaje en voltajes aceptables. Como los capacitores en paralelo no regulan voltaje, se requiere conectar o desconectar capacitores del banco según lo requiera la carga. Este “switcheo” de capacitores puede dar lugar a sobretensiones transitorias de 1.0 a 2.0 p.u., además los capacitores pueden entrar en resonancia con la inductancia de la red y amplificar el transitorio.
1000 kVA 23 kV
0.48 kV M
54 kVAR
200 HP M
54 kVAR
Z=6.1 %
0.48 kV
1000 kVA 23 kV
200 HP
100 kVAR M
Se quitaron
200 HP M
Z=6.89 %
500 kVA 23 kV
0.22 kV
200 HP
100 kVAR M
54 kVAR
75 HP M
Z=5.25 %
54 kVAR
75 HP M
50 kVAR
75 HP
54 kVAR
75 HP
M
Fig. 1. Diagrama unifilar de la empresa Editorial Offset. Los controladores electrónicos modernos pueden tomar los sobrevoltajes transitorios como señal de situación de peligro inminente y bloquear la máquina para evitarle daños. La sobretensión y la forma distorsionada del voltaje puede interferir con el disparo por compuerta de los tirirstores. En la operación descontrolada de los puentes de rectificación se conduce gran corriente y terminan quemándose.. Este caso sucedió en la empresa Editorial Offset, motivo de este trabajo. “SWITCHEO” DE CAPACITORES Los bancos de capacitores que se instalan para mejorar el factor de potencia pueden contribuir a profundizar considerablemente los transitorios debido al “switcheo” sobre todo si se presenta la resonancia. Los usuarios pueden instalar supresores de picos de alta energía para limitar la magnitud del voltaje transitorio. Otra forma de limitar la amplificación de voltajes transitorios es convertir los bancos de capacitores en filtros de armónicas.
En realidad los transitorios afectan sólo a un pequeño número de dispositivos, pero dentro de ellos se encuentran los controladores ajustables de velocidad cuyo componente básico es un puente de rectificación trifásico. Los transitorios producidos por el switcheo de los capacitores son de media frecuencia, por lo que una forma económica de bloquear el efecto es colocando bobinas de choque en serie a la entrada del rectificador. La reactancia requerida es del orden de 3 %, ya que presenta una alta impedancia para frecuencias altas y baja impedancia para la frecuencia industrial. Los equipos actuales pueden tener transformador de aislamiento, el cual funciona como bobina de choque. PROTECCIÓN DE TRANSITORIOS Los supresores de picos limitan el sobrevoltaje y operan en dos formas distintas: una es absorbiendo la energía del transitorio y la otra desviándola a tierra. El supresor debe colocarse lo más cerca posible del equipo por proteger para que el voltaje quede en un rango seguro. La fig. 2 ilustra los puntos en donde deben colocarse los supresores de picos. Bobina de choque
Cable
s
V1
s
V2 N
Carga protegida
Fig.2. Colocación de los supresores de pico que desvían el transitorio a tierra. En la fig.2. el primer supresor se conecta de línea a neutro en el secundario del transformador, esto evita que el voltaje de línea V1 se pueda elevar a niveles peligrosos. Para que el supresor opere correctamente es necesario que se tenga una trayectoria de baja impedancia. Si esto no se cumple, el transitorio puede desviarse a otras cargas sensibles. Por este motivo se instala un segundo supresor en las terminales de la carga protegida para disipar la energía restante del transitorio. El bloqueo de picos de corriente es más sencillo para frecuencias altas y medias producidas por descargas atmosféricas y switcheo de capacitores . Para esto se coloca una bobina o reactor de choque en serie con la carga. Esto también evita los transitorios generados en la operación normal de los rectificadores trifásicos conocidos como “notching transients” que aparecen con la conmutación de la corriente de una fase a otra. En este periodo hay un corto circuito momentáneo entre dos fases que llevan el voltaje a valores cercanos a cero.
La protección generalmente es combinada: un reactor que limita los cambios bruscos de corriente y un supresor de picos para limitar los sobrevoltajes transitorios. CONTROLADORES DE VELOCIDAD La mayoría de los controladores de velocidad utilizan puentes de rectificación de voltaje. Los controles son muy sensibles a los sobrevoltajes y pueden provocar mal funcionamiento con valores de voltaje del orden de 117 % con respecto al voltaje nominal. Los voltajes transitorios causados por el switcheo de los capacitores es casi siempre mayor del 130 %, por lo que existe una alta probabilidad de falla del controlador. La manera más efectiva de evitar estas probabilidades es aislar a los controladores del sistema por medio de reactores de choque. La inductancia adicional del reactor o bobina de choque reduce la magnitud del voltaje transitorio que puede llegar al controlador. Cuando los capacitores se instalan en la misma barra que el convertidor de potencia sin transformador de aislamiento o bobina de choque, los altos valores de dv/dt que resultan del voltaje del capacitor, dañan a los dispositivos semiconductores. Esto se debe a que estos dispositivos requieren de unos cuantos microsegundos para pasar del modo de conducción en directa al modo de bloqueo en la dirección inversa. Por este motivo los fabricantes instalan un reactor de choque o transformador de aislamiento entre el banco de capacitores y el puente rectificador de potencia. LOCALIZACIÓN DE CAPACITORES Los capacitores se deben localizar de tal manera que no se encuentren demasiado cerca de la carga sensible o en lugares donde los sobrevoltajes transitorios tiendan a ser mayores. Cuando el problema existe se pueden mover los capacitores a un punto más alejado de la carga sensitiva o colocarlos en otra rama de la red, con lo que se resuelve el problema. Por este medio se incrementa el amortiguamiento por la mayor impedancia entre los capacitores y la carga sensible. En ocasiones los capacitores están cerca de grandes cargas consumidoras de reactivos, por lo que no es adecuado alejar los capacitores, ya que la línea se carga de reactivos. Los capacitores tienen por objeto reducir la potencia reactiva que circula en el sistema de alimentación, por lo que deben estar lo más cerca posible de la carga reactiva. Sin embargo se tiene la posibilidad de que entren en resonancia con la inductancia del sistema y produzcan sobrevoltajes peligrosos para las cargas sensibles.
COMPORTAMIENTO DEL VOLTAJE El incremento de voltaje debido al aumento de la potencia reactiva del banco de capacitores, se determina en forma aproximada por la siguiente expresión:
∆V % =
kVARcapacitor × Z % transf kVAtransf
Este voltaje adicional aparece cuando el capacitor está conectado y desaparece con su desconexión. En la subestación de Editorial Offset se tiene un transformador de 1000 kVA con impedancia de 6.1%. Se tiene un banco de capacitores de 100 kVAR conectado en estrella con neutro aterrizado en la barra de baja tensión del transformador. Cuando el banco de capacitores está conectado, el porcentaje de incremento es el siguiente: ∆V % =
100 ⋅ 6. 1 = 0. 61 % 1000
Lo cual equivale en Volts:
0. 61⋅ 480 ∆V = = 2.928 V 100 Este nivel de elevación de voltaje no es excesivo, en caso de que lo fuera se cambian las derivaciones del transformador. En la gran mayoría de las plantas industriales el incremento de voltaje debido a los bancos de capacitores no pasa del 4 %. RECOMENDACIONES Y SOLUCIÓN La norma IEEE Std 141 – 1993 [2] en el tema que trata el punto de conexión de los capacitores, en la página 415, recomienda: Nunca conectar los capacitores directamente a al s terminales del motor cuando: •
Se tienen en uso dispositivos de estado sólido.
•
El motor está sujeto a arranques repetitivos, “joggings” o incrementos muy lentos de la velocidad.
•
Se usa un motor de multivelocidad.
•
Se usa un motor con control reversible.
•
Una gran inercia de la carga podría controlar en un momento dado al motor.
Para Solucionar el problema presentado en Editorial Offset se proponen las siguientes medidas: 1.
Alejar los capacitores de las máquinas que permita que el cable entre el banco y la carga
sensible amortigue el efecto de los capacitores sobre la carga. 2.
Instalar supresores de pico en la subestación para evitar la entrada de transitorios del exterior y a la entrada de las cargas para eliminar la energía remanente.
3.
Instalar reactores de choque para limitar los cambios bruscos de corriente en cada máquina, de acuerdo a la potencia del motor, voltaje de operación y corriente nominal. Esto atenúa el efecto de transitorios de alta y mediana frecuencia que puedan llegar a la carga sensible.
El arreglo de los puntos anteriores se muestra en la fig. 3. Transformador Reactor
Capacitor
s
s Supresores
Carga sensible
Fig.3. Arreglo sugerido para solucionar el problema de Editorial Offset. Para llegar a la solución propuesta se realizaron una serie de mediciones, de las cuales se presentan algunas gráficas con sus comentarios. GRÁFICAS OBTENIDAS DE TRANSITORIOS
EN
LA
MEDICIÓN
Las gráficas 1ª, 1b y 1c muestran el efecto del switcheo de un banco trifásico de capacitores de 50 kVAR para un puente de rectificación trifásico que alimenta un motor de corriente direcxta de 75m HP. La magnitud máxima alcanzada es de 880 V en la gráfica 1 y de valores menores en otras gráficas que no se muestran por razones de espacio. La escala es de 10.2 milisegundos por división, medio ciclo corresponde a 8.3 milisegundos y el transitorio alcanza su valor pico aproximadamente en 1 ms, según puede verse en la gráfica. Los valores de sobrevoltaje son relativamente altos y el efecto continuo de ellos va mermando la vida útil de los dispositivos electrónicos. La gráfica 2 muestra que la distorsión armónica total (THD) de la onmda de voltaje es de 3.5 % lo cuál está por debajo del 5 % recomendado por la norma. La gráfica 3 muestra el comportamiento del voltaje a la salida del puente rectificador. La variación máxima del voltaje de CD tiene una variación máxima entre 140 y 660 V.
Gráfica 4. Distorsión armónica de la onda de voltaje.
Gráfica 1, 2 y 3. Transitorio de voltaje debido al “switcheo” de un capacitor de 50 kVAR.
Gráfica 5. Comportamiento del voltaje de CD a la salida del puente rectificador.
Gráfica 6. Máquina V15 voltaje de entrada.
Gráfica 9. Ampliación de transitorios generados por la operación normal del puente trifásico rectificador.
Gráfica 7. Forma de onda de corriente máquina
Gráfica 10. Transitorios en operación normal del puente de rectificación. En las gráficas 6 y 7 se muestran las formas de onda de voltaje y corriente del lado de la CA. El espectro armónico de la fig. 8 y las formas de onda de voltaje y corriente son típicas de los controladores de velocidad. La mayoría de los rectificadores son de 6 pulsos, la distorsión armónica es de 3.9%, lo cual indica que no hay problemas de armónicas en usuarios comunes. Gráfica 8. Contenido armónico de voltaje .
4.
Puede haber problemas en los controladores con valores de THD inferiores al 5 %.
REFERENCIAS
AUTORES .
Fernando Toledo Toledo. Maestro en Ciencias (Ing. Eléctrica) por la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación de la ESIME-IPN, donde actualmente desarrolla su programa doctoral. Desde 1981 es profesor investigador de la UAM-A, donde produce software para análisis de sistema eléctricos industriales, siendo también responsable del diplomado en sistemas eléctricos industriales.
[email protected]. José Dolores Juárez Cervantes. Maestro en Ciencias (Ing. Eléctrica) Por el Instituto Politécnico de Kíev. Profesor investigador de la UAM desde 1987, donde imparte cursos relacionados con los sistemas eléctricos de potencia. Ha publicado tres libros.
[email protected].
Gráfica 11. Voltaje y corriente del lado de CD del rectificador. Las gráfica 9 y 10 muestran la onda de voltaje a la entrada, en las que se nota el efecto “notching transients” que a pesar de tener valores muy pequeños representan un riesgo para los dispositivos electrónicos de potencia por ser muy continuos. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1.
La presencia de transitorios continuos de pequeña magnitud pueden causar desperfectos a los controladores electrónicos de velocidad variable según lo demuestra el caso de Editorial Offset.
2.
Es recomendable alejar lo más posible a los bancos de capacitores de los contraldores para evitar la amplificación de los transitorios debidos al “switcheo” de los transformadores.
3.
El uso de reactores de choque permite amortiguar los sobrevoltajes producidos por switcheo de los capacitores o por otras fuentes externas a un bajo costo.