Armónicos: Efectos, diagnostico y soluciones

JCEE’09 Francesc Fornieles

Costes de una instalación Costes Costes Técnicos Técnicos

Costes Costes Económicos Económicos

Sobrecarga Sobrecarga de de instalaciones instalaciones

Visibles Visibles

Ocultos: Ocultos:
Energéticos
Energéticos
Instalaciones
Instalaciones
Procesos
Procesos productivos productivos

Falta Falta de de capacidad capacidad en en transformadores transformadores yy líneas líneas Niveles Niveles de de pérdidas pérdidas elevados elevados

Conceptos Conceptos factura factura Energía Energía no no necesaria necesaria Ampliación Ampliación de de instalaciones instalaciones Costes Costes no no necesarios necesarios Energías Energías fósiles fósiles 1Mwh 1Mwh == 11 tCO2 tCO2

Costes Costes Ecológicos Ecológicos

CO2 CO2 generado generado por por demanda demanda excesiva excesiva

Energías Energías mixtas mixtas 1Mwh 1Mwh == 0,6 0,6 tCO2 tCO2

Factores de los costes en instalación Medida

Trabajo Útil

Energía Reactiva

Perdidas

Energía Distorsión

Energía Fluctuante

Recargo

Transitorios Interferencias

Problemas EMC

Paros no deseados

Compensación Reactiva Planificación, supervisión y Corrección

Energía Consumida

Energía Activa

Reducción Perdidas Filtrado de Armónicos Optimización Consumo

Mejor Aprovechamiento energético

C O S T E S A H O R R O

FILTRADO DE ARMONICOS

Índice

Panorama eléctrico Qué son los armónicos? Efectos de los armónicos Estudio de una instalación Soluciones

Panorama Eléctrico El crecimiento substancial de los dispositivos electrónicos en los últimos años han dado lugar a un cambio significativo de los tipos cargas conectadas al sistema de distribución eléctrico.

Calidad de Vida

Polución Eléctrica

Estos dispositivos están equipados con rectificadores, moduladores, en definitiva una electrónica que distorsionan la forma de onda de la corriente.

Onda Ideal 150,00 100,00 50,00

-50,00 -100,00 -150,00

3,6

3,4

3,2

3

2,8

2,6

2,4

2,2

2

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

0,00

Onda Distorsionada 300,00 200,00 100,00

-100,00 -200,00 -300,00

3,6

3,4

3,2

3

2,8

2,6

2,4

2,2

2

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

0,00

Tipo de cargas 

U

Carga lineal: Intensidad absorbida es con forma de onda senoidal .

I ϕ



I



Ej.: resistencias, cargas inductivas en régimen permanente y no saturadas. (motores, transformadores...).

Carga no lineal o deformante:

U

Intensidad absorbida es con forma de onda no senoidal. Existencia de armónicos. 

Ej.: Arrancadores, velocidad...

variadores

de

¿Qué distorsiona la tensión?

¿Que son los armónicos?

El matemático francés Jean Baptiste Fourier determino que toda forma de onda periódica no-senoidal puede ser representada como la suma infinitas de ondas senoidales cuya frecuencias son enteros múltiples de la frecuencia fundamental.

Descomposición Armónica 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 3,6

3,4

3,2

3

2,8

2,6

2,4

2

2,2

1,8

1,6

1,4

1

1,2

0,8

0,6

0,4

0

0,2

0,00 -50,00 -100,00 -150,00 -200,00 -250,00

= 200,00 150,00

60,00

30,00

40,00

20,00

20,00

10,00

100,00

-100,00 -150,00 -200,00

Fundamental

-20,00 -40,00 -60,00

-10,00 -20,00 -30,00

Armónicos

3,6

3,4

3

3,2

2,8

2,6

2,4

2

2,2

1,8

1,6

1

1,4

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

+

0,00 0

3,6

3,4

3

3,2

2,8

2,6

2,4

2,2

2

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

+

0,00 0

3,6

3,4

3

3,2

2,8

2,6

2,4

2

2,2

1,8

1,6

1,4

1

1,2

0,8

0,6

0,4

0

0,2

0,00 -50,00

0,2

50,00

Comportamiento de los armónicos L1

L3

L2

Secuencia Directa n=1+3k

Secuencia Inversa n=2+3k

Secuencia Homopolar n=3+3k

Orden

Fund.

2

3

4

5

6

7

Frecuencia

50

100

150

200

250

300

350

Secuencia

Conceptos básicos ¿Por que normalmente no hay armónicos de orden par? Si la señal tiene la misma forma de onda en el semiciclo positivo y en semiciclo negativo, los armónicos de orden par se anulan entre si. Supongamos que hay armónicos de 2º orden, podemos escribir que:

Sabiendo que 

I (ωt +π ) = − I (ωt )

Queda demostrado que I2 es nulo, ya que es la única forma de cumplir la expresión anterior.

Conceptos básicos Armónicos de 3er orden y múltiples de tres: Estos solo circulan por el conductor neutro, además se suman lo que puede suponer importantes sobrecargas en dicho conductor. Las corrientes armónicas de 3er orden en un sistema trifásico son:

Con lo cual se demuestra que los armónicos de 3er orden son homopolares. Si no hay neutro la carga sencillamente no podrá generarlos, y si hay conductor neutro todas las corrientes armónicas de 3er orden se sumaran y pasaran por el neutro, con su consecuente sobrecarga.

Evaluación de las medidas • Valor eficaz/RMS: n

2 I ∑ n (A)

I RMS =

VRMS =

n

2 V ∑ n (V) 1

1

• Distorsión individual:

I (%) = I ⋅100 I n

n

1

V (%) =V ⋅100 V n

n

1

• Tasa de distorsión armónica:

THDI (%)
=

2  40 ∑I  2 n 

I1

⋅100 THDV (%) =

2  40 ∑V n  2  

V1

⋅100

Ejemplo de medidas fundamentales I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A 200,00

• Valor Eficaz:

150,00

FORMA IRMS = 652 + 132 + 392 + 312 + 22 = 82,95DE A ONDA •Distorsión Individual:

100,00

50,00

0,00 -50,00

39 ⋅100 = 60% 13 I (%) = 5 I3 (%) = ⋅100 = 20% -150,00 65 65 -200,00 2 I7 (%) = 31 ⋅100 = 47,70% I9 (%) = 65 ⋅100 = 3,08% 65 •Tasa de Distorsión Armónica: -100,00

100 90 80 70 60 50 40

ESPECTRO 2

30 20

13 + 39 + 31 + 2 THDI % = ⋅100 = 79,27% 65 2

2

2 10 0

1

3

5

7

9

11

13

15

17

Ejemplo de medidas fundamentales I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A • Valor Eficaz:

IRMS = 652 + 132 + 392 + 312 + 22 = 82,95A •Distorsión Individual: 39 ⋅100 = 60% 13 I (%) = 5 I3 (%) = ⋅100 = 20% 65 65 2 I7 (%) = 31 ⋅100 = 47,70% I9 (%) = 65 ⋅100 = 3,08% 65 •Tasa de Distorsión Armónica: 132 + 392 + 312 + 22 THDI % = ⋅100 = 79,27% 65

¿Que efectos tienen los armónicos?

Efecto de los armónicos ELEMENTO Conductor

Conductor de Neutro

Condensador

Maquinas Eléctricas

Equipos de Medida y Control

PROBLEMA

EFECTO

• Aumento de la corriente • Aumento de perdidas térmicas (efecto Joule)


• Calentamiento cables (deterioro)
• Disparo de protecciones

• Circulación armónicos múltiplos de 3 • Retorno por el conductor de neutro

• • • •

• Resonancia paralelo con el sistema • Amplificación de los armónicos

• Calentamiento condensadores • Envejecimiento prematuro de condensadores • Destrucción de condensadores

• Circulación de corrientes armonicas por los devanados y tensiones armónicas en bornes

• Sobrecalentamiento y perdida de aislamiento térmico (efecto Joule)
• Aumento perdidas magnéticas (por Histeresis y Foucault)
• Desclasificación (Transformador)
• Vibraciones en el eje, desgaste mecánico en rodamientos y excentricidades (motores)


• Medidas no válidas • Errores en procesos de control

• Valores de magnitudes incorrectas • Interferencias con sistemas de comunicación y control • Error en los instantes de disparo de tiristores

Sobreintensidad por el neutro Calentamiento del neutro Degradación prematura Disparo de protecciones

Efecto de los armónicos • Conductores

Efecto

 Aumento de la Irms:

I = I + I + I +...+ I 2

RMS

1

2

2

2

3

• Disparo intespentivo de las protecciones. 2 n

 R aumenta con la frecuencia  Efecto “Skin” Area Conductora

• Sobrecalentamiento de los cables.

Efecto de los armónicos • Conductor de Neutro  Retorno de las corrientes homopolares (armónicos 3K)

Efecto • Disparo intespentivo de las protecciones. • Sobrecalentamiento del cable del neutro. • Sobreintensidades en el neutro. • Tension neutro-tierra.

Efecto de los armónicos • Condensadores  Disminución de la impedancia cuando aumenta la frecuencia.  La conexión de baterías de condensadores pueden producir resonancias paralelo y amplificación de los armónicos.  Calculo de la frecuencia resonante:

fr =

MT

Transformador MT/BT

Iarmónicas

1 2π LC

Scc fr = fn· Q

~

~ =

=

M

generadores de armónicos (Gh)

Efecto de los armónicos • Ejemplo resonancia

Efecto de los armónicos • Ejemplo resonancia

Efecto de los armónicos • Transformadores

Efecto

 Incremento de perdidas por efecto Joule. 2 PCu = R·IRMS

IRMS

• Sobrecalentamiento en los devanados. • Aumento perdidas magnéticas. • Rendimiento del transformador.

PCu

B

 Incremento de perdidas en el Hierro

PFe = PFocault + PHisteresis PFocault = k1·B ·f .a 2

2

PHisteresis = k2 ·B 2 ·f

2

Dentro de la zona son perdidas

C·S·cosϕ η= C·S·cosϕ + PFe + C 2 ·PCu

H

Efecto de los armónicos • Transformadores K – Factor (EEUU)

Transformadores Comerciales

Factor – K (UE)

Desclasificacion del transformador S = 1000 kVA ; Factor K = 1,27 S’ = S/K = 1000/1,27 = 787,4 kVA

Efecto de los armónicos • Motores

Efecto

 Incremento de perdidas por efecto Joule.  Incremento de perdidas magnéticas. Eficiencia del motor.

• Sobrecalentamiento en los devanados. • Aumento perdidas magnéticas. • Rendimiento del motor. • Reducción del par. • Vibraciones, oscilaciones.

SECUENCIA Giro Motor Armonico 3k+1 Armonico 3k-1

1 2 3 4 5 6 + - o + - o

Efecto de los armónicos • Motores

HVF =

n =∞ V 2 n

∑

n =5

n

HVF < 0,05

NORMA NEMA MG1.1993 NORMA IEC 60892

Efecto de los armónicos • Factor de potencia PF =

P S

=

Potencia Activa Potencia Activa + Potencia No Activa

CAUSAS DE F.P.