arm ónicos: efectos, diagnostico y soluciones - upc universitat politècnica de … ·...

JCEE’09

ArmArm óónicos:nicos:Efectos, diagnostico y solucionesEfectos, diagnostico y soluciones

Francesc Fornieles

Costes de una instalación

Costes TécnicosCostes

Técnicos

Costes Económicos

Costes Económicos

Costes Ecológicos

Costes Ecológicos

VisiblesVisibles

Ocultos:�Energéticos�Instalaciones�Procesos productivos

Ocultos:�Energéticos�Instalaciones�Procesos productivos

Energía no necesariaEnergía no necesaria

Ampliación de instalacionesAmpliación de instalaciones

Costes no necesariosCostes no necesarios

Conceptos factura Conceptos factura

CO2 generado por demanda excesivaCO2 generado por demanda excesiva

Energías fósiles 1Mwh = 1 tCO2Energías fósiles 1Mwh = 1 tCO2

Energías mixtas 1Mwh = 0,6 tCO2Energías mixtas 1Mwh = 0,6 tCO2

Sobrecarga deinstalacionesSobrecarga deinstalaciones

Falta de capacidad en transformadores y líneasFalta de capacidad en transformadores y líneas

Niveles de pérdidas elevadosNiveles de pérdidas elevados

Factores de los costes en instalación

Energía Activa

Energía Reactiva

Energía Distorsión

Transitorios Interferencias

Trabajo Útil

Perdidas

Energía Fluctuante Recargo

Problemas EMC

Paros no deseados

Energía Consumida CCCC

OOOO

SSSS

TTTT

EEEE

SSSS

Medida

Planificación, supervisión y

Corrección

Compensación Reactiva

Reducción Perdidas

Filtrado de Armónicos

Optimización Consumo

Mejor Aprovechamiento

energético

AAAA

HHHH

OOOO

RRRR

RRRR

OOOO

FILTRADO DE ARMONICOSFILTRADO DE ARMONICOS

Índice

Panorama eléctrico

Qué son los armónicos?

Efectos de los armónicos

Estudio de una instalación

Soluciones

Panorama EléctricoEl 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.

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

Calidad de Calidad de VidaVida

PoluciPoluci óónn

ElElééctricactrica

Onda Ideal

-150,00

-100,00

-50,00

0,00

50,00

100,00

150,00

0

0,2

0,4

0,6

0,8 1

1,2

1,4

1,6

1,8 2

2,2

2,4

2,6

2,8 3

3,2

3,4

3,6

Onda Distorsionada

-300,00

-200,00

-100,00

0,00

100,00

200,00

300,00

0

0,2

0,4

0,6

0,8 1

1,2

1,4

1,6

1,8 2

2,2

2,4

2,6

2,8 3

3,2

3,4

3,6

� Carga lineal:

Intensidad absorbida es con forma de onda senoidal .

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

� Carga no lineal o deformante:

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

� Ej.: Arrancadores, variadores de velocidad...

Tipo de cargas

U

I

ϕ

U

I

¿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 .

-60,00

-40,00

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,000

0,2

0,4

0,6

0,8 1

1,2

1,4

1,6

1,8 2

2,2

2,4

2,6

2,8 3

3,2

3,4

3,6

-30,00

-20,00

-10,00

0,00

10,00

20,00

30,00

0

0,2

0,4

0,6

0,8 1

1,2

1,4

1,6

1,8 2

2,2

2,4

2,6

2,8 3

3,2

3,4

3,6

-250,00

-200,00

-150,00

-100,00

-50,00

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

0

0,2

0,4

0,6

0,8 1

1,2

1,4

1,6

1,8 2

2,2

2,4

2,6

2,8 3

3,2

3,4

3,6

+ +

=

Fundamental Armónicos

-200,00

-150,00

-100,00

-50,00

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

0

0,2

0,4

0,6

0,8 1

1,2

1,4

1,6

1,8 2

2,2

2,4

2,6

2,8 3

3,2

3,4

3,6

Descomposición Armónica

Comportamiento de los armónicos

Secuencia

35030025020015010050Frecuencia

765432Fund.Orden

L1

L3

L2

Secuencia Directa

Secuencia Inversa

Secuencia Homopolar

n=1+3k n=2+3k n=3+3k

¿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 � ( ) ( )tt II ωπω −=+

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.

Conceptos básicos

Evaluación de las medidas

• Valor eficaz/RMS:

• Distorsión individual:

• Tasa de distorsión armónica:

100II(%)I

1

nn ⋅= 100

VV(%)V

1

nn ⋅=

(A)IIn

1

2nRMS ∑= (V)VV

n

1

2nRMS ∑=

100(%)�1

40

2

2

⋅=

∑

I

ITHDI

n100(%)

1

40

2

2

⋅=

∑

V

VTHDV

n

Ejemplo de medidas fundamentalesEjemplo de medidas fundamentales

• Valor Eficaz:

•Distorsión Individual:

•Tasa de Distorsión Armónica:

20%100(%)I3 =⋅=6513

AIRMS 95,82231391365 22222 =++++=

I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A

60%100(%)I5 =⋅=6539

%4100(%)I7 70,76531 =⋅= %100(%)I9 08,3

652 =⋅=

%27,7910065

2313913%

2222

=⋅+++=THDI

-200,00

-150,00

-100,00

-50,00

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17

ESPECTROESPECTRO

FORMA FORMA DE DE ONDAONDA

Ejemplo de medidas fundamentalesEjemplo de medidas fundamentales

• Valor Eficaz:

•Distorsión Individual:

•Tasa de Distorsión Armónica:

20%100(%)I3 =⋅=6513

AIRMS 95,82231391365 22222 =++++=

I1=65A; I3=13A; I5=39A; I7=31A; I9=2A

60%100(%)I5 =⋅=6539

%4100(%)I7 70,76531 =⋅= %100(%)I9 08,3

652 =⋅=

%27,7910065

2313913%

2222

=⋅+++=THDI

¿Que efectos tienen los armónicos?

Efecto de los armónicosELEMENTO PROBLEMA EFECTO

Conductor• Aumento de la corriente• Aumento de perdidas térmicas (efecto

Joule)�

• Calentamiento cables (deterioro)�• Disparo de protecciones

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

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

Condensador• Resonancia paralelo con el sistema• Amplificación de los armónicos

• Calentamiento condensadores• Envejecimiento prematuro de

condensadores• Destrucción de condensadores

Maquinas Eléctricas• 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)�

Equipos de Medida y Control

• 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

Efecto de los armónicos• Conductores

� Aumento de la Irms:

22

3

2

2

2

1...

nIIII ++++=RMSI

� Efecto “Skin”

� R aumenta con la frecuencia

AreaConductora

Efecto• Disparo intespentivo de las protecciones.

• 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.


~=

~=

TransformadorMT/BT

generadores de armónicos (Gh)

Iarmónicas

M

MT

• 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:

LC2π

1fr =

ffr Q

Sccn·=

Efecto de los armónicos• Ejemplo resonancia

• Transformadores� Incremento de perdidas por efecto Joule.

2RMSCu R·IP =

IRMS PCu

� Incremento de perdidas en el Hierro

·f·BkP

·f·BkP

PPP

22Histeresis

221Focault

HisteresisFocaultFe

=

=

+=2.a

Cu2

Fe ·PCPC·S·cosC·S·cos

++=

ϕϕη

B

H

Dentro de la zona Dentro de la zona son perdidasson perdidas


Efecto• Sobrecalentamiento en los devanados.

• Aumento perdidas magnéticas.

• Rendimiento del transformador.

• Transformadores


K K –– Factor Factor (EEUU)(EEUU)

Factor Factor Factor Factor Factor Factor Factor Factor –––––––– K K K K K K K K (UE)(UE)(UE)(UE)(UE)(UE)(UE)(UE)

Transformadores Comerciales

Desclasificacion del transformador

S = 1000 kVA ; Factor K = 1,27

S’ = S/K = 1000/1,27 = 787,4 kVA

• Motores� Incremento de perdidas por efecto Joule.

� Incremento de perdidas magnéticas.�Eficiencia del motor.

Giro Motor

Armonico 3k+1Armonico 3k-1

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

SECUENCIA


Efecto• Sobrecalentamiento en los devanados.

• Aumento perdidas magnéticas.

• Rendimiento del motor.

• Reducción del par.

• Vibraciones, oscilaciones.

Efecto de los armónicos• Motores

∑=∞=

=

n

5n

2n

n

VHVF 05,0<HVF

NORMA NEMA MG1.1993

NORMA IEC 60892

• Factor de potencia

ActivaNo Potencia ActivaPotencia

ActivaPotencia

S

PPF

+==


CAUSAS DE F.P.<1

� Desfase entre tensión y corriente: PotenciaReactiva.� Presencia de perturbaciones armónicas� Desequilibrio de consumos entre fases

• Factor de potencia� Sin armonicos:

2Q

2P

P

S

PC

+==ϕos

� Con armonicos:

2D

2Q

2P

P

S

PPF

++==


ϕ Q

D

γ S1

ST

P

SQ'

P

Cos ϕϕϕϕ

Cos ϕ = PF

• Factor de Potencia (Ejemplo):P = 400 kW ; Q = 192 Kvar ; THDI% = 48%

90,0192400

400

22=

+==

S

PC ϕos 900

4801

1

1

1

22

,

,THDI

PFDist

=+

=+

=

81,09,09,0cos =×=×= DistPFPF ϕ


Normas y limites

IEC 61000-3-4

IEEE-519:1992

Estudio de una instalaciónDetección de síntomas de perturbaciones armónicas

Obtención de información de la instalación

Inspección Física

Mediciones con:• Analizador de redes

• Analizador de calidad de red• Multimetro capaz de medir en

verdadero valor eficaz

Diagnostico

Temporal Definitivo

Solución/es

Supervisión y control de la instalación

Seguimiento

Información Previa

Datos para pre-estudio armónico

Transformador

%Ucc (Tensión de cortocircuito):

VU2 (Tensión Nominal):

kVASn (Potencia Transformador):

Transformador

RED PCC

MEDICIONES ENCUADROS SECUNDARIOS

CON CARGASMONOFÁSICASFASE - NEUTRO

MEDICIONESEN CARGAS CONDISTORSIÓN

MEDICIONESEN LA(S) BATERIAS

MEDICIONESEN CARGAS SINDISTORSIÓN

MM

1

2

4 5

4 HILOS

L1 L2 L3 N

3 6

MEDICIONES EN CUADRO GENERAL BT

CON BATERIA

SIN BATERIA

Información Previa

Puntos de medida: 1,2,3,4,5,6 …..

In(A) �

THD (I)�

THD (V)�

∑ THD13117531Nº ARMONICOS

Si existe batería de armónicos

Baterias decondensadores

kWP(Instalación) �

kvarQ(batería) �

%THD(U)�%THD(U)�

%THD(I)�%THD(I)�

CON BATERIA DESCONECTADA

CON BATERIA CONECTADO

Datos para pre-estudio armónico

Información Previa

SolucionesSoluciones

Los armónicos afectan mas a el material sensible que a la red general.

Los armónicos afectan mas a el red general que al material sensible.

SolucionesEstructura de la instalación:

Estrategias de Filtrado

Ubicación Efectos

Cuadro General � Reducir el nivel de THDI que se genera hacia la red (punto de acoplamiento comun)�

� Reducir el valor eficaz de la corriente en las lineas de la instalacion sin perdida de potencia� Reducir perdidas

Cuadros Secundarios

� Reducir la corriente eficaz en el punto donde se genera.� Reducción de las perdidas en todo el sistema

Filtrado Individual

p = 7%

Frecuencia de resonancia 189Hz LC2π

1f r =

Eliminación riesgo de resonancia, batería con filtros modelo FR.

Soluciones: FR

h>3º, f > 150Hz134 Hz14%

h>5º, f > 250Hz189 Hz7%

Armónico rechazadowrp%2

100(%)

⋅=r

p ωω

� Se conecta de forma individual , aguas arriba del convertidor, justo delante de él y en serie.

¿¿CCóómo se conecta?mo se conecta?

¿¿QuQuéé debemos saber de la instalacidebemos saber de la instalaci óón para poder ofertar n para poder ofertar un LCL?un LCL?

� Tensión de trabajo de la red� Frecuencia de la red� Corriente consumida por el equipo

M3

REACTANCIADE LA RED

CONVERTIDOR

L1 L2

L3

C

Soluciones: LCL

Soluciones: LCL

Corriente de línea sin filtro, THD(I)=32%; THD(V)=4 ,4% Corriente de línea con filtro, THD(I)=8%; THD(V)=1, 4%

CON FILTRO, 70% DE CARGASIN FILTRO

Soluciones: LCL

Corriente de línea sin filtro Irms= 352 ATHD(I)=25,3%; THD(V)=21,9%

Corriente de línea con filtro Irms=250 ATHD(I)=18,7%; THD(V)=3,1%

CON FILTRO, 80% DE CARGASIN FILTRO

En valor absoluto:

• 29% menos corriente eficaz.

• 50% menos perdidas por efecto Joule.

• 44% menos de corriente distorsionante que se vierte a la red por esta maquina.

Monofásico2 hilos

Trifásico 4 hilos

Trifásico de 3 hilos

Filtros activos AFCompensador activo

MULTIFUNCIÓN

NETACTIVE

Trifásico 4 hilos

APF-4W AF-3WAF-2W AF-4W

�Filtrado de armónicos�Equilibrado de fases�Compensación energía reactiva

Filtrado de armónicos con ó sin

compensación de reactivaFiltrado de armónicos

Soluciones: Filtros Activos

Soluciones: Filtros ActivosLa compensación de armónicos esta basado en la inyección de una corriente en contra fase, que cancela los armónicos generados por la carga.

Funciones del compensador multifunción APF-4W:

� Filtrado de armónicos� Equilibrado de corrientes de fase en sistemas

desequilibrados� Compensación del factor de potencia.

Ideal para instalaciones con gran cantidad de carga s monofásicas y trifásicas generadoras de armónicos:

� SAI� Luminarias � Aparatos elevadores � Aires acondicionados.

Soluciones: Filtros Activos

ConclusionesSobre la eficiencia…..

� La eficiencia energética es la optimización del consumo eléctrico + calidad de la onda + calidad de suminist ro

� La no eficiencia energética comporta costes económicos, técnicos y ecológicas

� El “Confort eléctrico” conlleva la generación de armónicos y fugas. Por tanto es necesario su eliminación y control.

� La medida nos aporta la información necesaria para conocer el funcionamiento de nuestra instalació, y poder buscar diferentes aplicaciones de mejora.

� El filtrado de armónicos y la compensación de reactiva, permiten una mayor demanda de potencia en una instalación, evitando paradas de procesos y averías

Gracias por su atenciGracias por su atencióónn

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ConConééctese:ctese:

arm ónicos: efectos, diagnostico y soluciones - upc universitat politècnica de … ·...

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