calidad de servicio-mml

7/25/2019 Calidad de Servicio-MML

1/94

Prof. Miguel Martnez Lozano

([email protected]) 1

LOS ARMNICOS EN LAS INSTALACIONES ELCTRICAS


2/94



ARMNICOS

Los armnicos en las redes elctricas son causados por las cargas no lineales. Estas

cargas cambian la naturaleza de la corriente y de la tensin en las redes elctricas,

ocasionando flujo de corrientes ( y consecuentes cadas de tensin) armnicos.

Los armnicos son seales que oscilan a frecuencias mltiples enteras de la fundamental,

elevan las prdidas en las redes y causan interferencias en los circuitos de comunicaciones.

Las fuentes de armnicos en las redes elctricas, han incrementado con el tiempo, entre los

ms importantes se encuentran los convertidores estticos de potencia, los elementos de

descargas de arco, los elementos que operan con sus circuitos magnticos saturados, las

mquinas elctricas , etc. Hoy en da los convertidores estticos de potencia, utilizados enuna gran variedad de equipos desde industriales hasta domsticos, constituyen las cargas

No lineales ms abundantes en los sistemas elctricos.


3/94



Cargas con una relacin tensin-intensidad no lineal

Convertidores estticos de potencia Rectificadores(ca en cc)

Inversor(cc en ca)

Ejemplos: HVDC 1000 MWTelevisin 75 W

Fluorescentes (20 W)Hornos de arco (80 MW)

DISPOSITIVOSCON

SEMICONDUCTORES

DISPOSITIVOSCON

ARCO ELCTRICO


4/94



Sobrecalentamiento en transformadores y motores Pares pulsantes en motores

Sobrecalentamiento

Aparicin de situaciones singulares de resonancia

Aumento de la intensidad eficaz que circula por las lneas Prdidas en el cobre por efecto pelicular Corrientes por el neutro por armnicos triples (3,6, 9,...)

Errores en la medida de potencia activa, reactiva y factorde potencia

Interferencia con sistemas de comunicacin y control Operacin incorrecta de contactores y rels Errores en los instantes de disparo de tiristores (ej. SVC)

Conductores

Mquinas

Elctricas

Condensa-

dores

Equipos

Consecuencias directas de los armnicos en una red elctrica


5/94



Operacin de equiposelctricos lineales

Motores

Lmparas incandescentes

Capacitores

Entre otros

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Tiempo (seg)

Voltaje

(volts)

Equipos que no producen armnicos:


6/94



Operacin de equipos

electrnicos Rectificadores

Computadoras

Lmparas ahorradoras

Entre otros

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

Tiempo (seg)

Voltaje

(volts)

Equipos con dispositivos No-Lineales, que distorsionan las ondas detensin y / o corriente


7/94Prof. Miguel Martnez Lozano


Los equipos que consumen corrientes distorsionadas, crean la circulacin decorrientes armnicas en la red. Y estas a su vez, producen cadas de tensin

con deformacin.

La forma en como se propagan e interactan los armnicos en la red,no es sencilla, pues tiene detrs un problema no lineal; sin embargo severn algunas formas aproximadas de estudio para comprensin delfenmeno.


8/94



A nivel de causantes, est claro que de manera masiva es la electrnica depotencia, la principal participante en perturbar la red con armnicos:

Que es la Electrnica de Potencia?

Es una disciplina encargada de la CONVERSIN y ACONDICIONAMIENTO de la

potencia elctrica con el propsito de controlar el flujo de energa y/o cambiar lasprincipales caractersticas (forma, valor efectivo, frecuencia, etc) de las ondas de

voltaje y corriente involucradas.

Tambin es conocida como de electrnica de altas corrientes y se diferencia de la

convencional por el objetivo que persigue. Mientras la primera est en la bsquedadel control del flujo de energa y/o potencia la segunda se preocupa bsicamente

por la amplificacin de seales de baja potencia.


9/94



Principales tipos de convertidores de Electrnica de Potencia

Rectificadores

Reguladores DC(Choppers)

Inversores

Reguladores AC

AC

AC

DC

DC


10/94



La Electrnica de Potencia busca resolver problemas del tipo

SistemaElctrico dePotencia 1

Convertidorde Potencia

MquinasElctricas

SistemaElctrico dePotencia 2

(Enfoque tradicional)

(Enfoque moderno)

Construido a partir deElectrnica de Potencia

Convertidor

Variadores

FiltrosUPSEtc.


11/94



Diodo

C

A

Tiristor V=5.5 kVI=6.5 kA

G

GTOGate Turn OffThyristor

V=6 kVI=6 kA

C

A

G

E

CV=3 kVI=3 kAG

IGBTInsulated GateBipolarTransistor

S

D

V=1 kVI=200 A

G

MOSFETMetal OxideSemiconductorField EffectTransistor

V=3 kVI=10 kA

C

A

Principales semiconductores en el mercado


12/94



Principales aplicaciones en funcin de potencia y frecuencia

Frecuencia (hz)

Potencia(

VA)


13/94



Carga 1 a V1

Carga 2 a V2

Carga 3 a V3

Fuente 1

Fuente 2

+-

Barra DC

Regulador AC

(AC/AC)

Chopper

(DC/DC)

Rectificad

or

(AC/DC)

Chopper

(DC/DC)

Inversor

(DC/AC)

Barra AC

Ejemplo de aplicaciones de la electrnica de potencia


14/94



Convertidores AC/DC (Rectificadores)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

-100

0

100

Vac

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

-100

0

100

Vo

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

-40

-20

0

20

40

Io

Media Onda


15/94



0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

-100

0

100Vac

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

-100

0

100

Vo

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

-40

-20

0

20

40

Io

Onda Completa



16/94




Vo

IoOnda Completa trifsico

0 0.005 0.01 0.015

0

100

200

300Vo

0 0.005 0.01 0.015

0

50

100

Io

0 0.005 0.01 0.015

-100

0

100

I1


17/94



Convertidores DC/DC (Chopper)

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

0

50

100

Vdc

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

0

50

100

Vo

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

0

20

40

60

Io

Chopper Reductor


18/94



Convertidores AC/AC (Regulador AC)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07-500

0

500

Vac

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07-500

0

500Vo

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

-200

0

200

Io

RVAC

T1

T2


19/94



0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07-500

0

500

Vac

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07-500

0

500

Vo

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07-50

0

50

Io

VA

C

T1

T2 L

Convertidores AC/AC (Regulador AC)


20/94



Convertidores DC/AC (Inversor)

0 0. 005 0. 01 0. 015 0. 02 0. 025 0. 03 0. 035 0. 04 0. 045 0. 05

-500

0

500

Vo

0 0. 005 0. 01 0. 015 0. 02 0. 025 0. 03 0. 035 0. 04 0. 045 0. 05-400

-200

0

200

400

Io


21/94



CargaDCo inversor

Ia TRX YD DY Ia TRX YY

Inductancia

Efectos sobre el Sistema Elctrico


22/94



Carga

DCo inversorPWM

Ia TRX YD DY (alta y baja carga)

Efectos sobre el Sistema Elctrico


23/94



Rectificador Inversor

Controlador de velocidad


24/94



Tcnica de control PWM (para inversores)

Voltaje

Corriente


25/94



ANLISIS DE SEALES DISTORSIONADAS

Transformada de Fourier


26/94



La Transformada de Fourier:

Cualquier funcin peridica puede dividirse en una suma infinita de senos y

cosenos puros.

Esto lo que hace es factible la aplicacin de un concepto bsico de redes,como es el de la superposicin.


27/94



La Transformada de Fourier:


28/94



Funcin PeridicaFuncin con cualquier forma de onda ( cuadrada, triangular, rectangular, etc) que serepite en el mismo perodo de tiempo T o en 2radianes.

F(t) = F(t+nT)


29/94



Representacin de una seal no-sinusoidal mediante series de Fourier

Cualquier funcin peridica, finita y continua o con un nmero finito dediscontinuidades en un perodo T o 2/w , se puede representar por unaserie de la forma

0 1 1

( ) cos Wnt+ sen Wntnn n

f wt a a bn

a0 = Constante, an, bn = Amplitud de los armnicos, n= 1,2,3,......

Wn= nWo= Frecuencia angular de la seal n.

Una manera prctica de representar esta seal es:


30/94



0 o n1

( ) cos (nW t + )n

n

f wt a C

2 2 nn

n

b y = - atan

an n

a bdonde Cn =

La forma prctica y conocida de escritura, es:

Cosenos de diferentes magnitudes, frecuencias y fase


31/94



Los coeficientes ao, any bnse determinan mediante las relaciones:

2

0

1cosf n dan=

bn=

2

0

1f sen n d

ao=

2

0

1

2

f d

wt


32/94



Si la seal es alterna, el valor medio de la misma es nulo, por lo que no posee valorde a0.

Por ello, puede definirse la funcin para las seales de tensin y corriente:

Donde k = 1, corresponde a la frecuencia fundamental (red)k = 2, 3, 4 corresponden a los armnicos

Magnitud del armnico Fase del armnico


33/94



Si hay ciertas simetras, los armnicos pares no existen (k=2, 4, 6, 8, .).

Simetra de media onda

f f

10sen(wt)

3.5sen(3wt)Los armnicos imparescausan que la onda seasimtrica a medio ciclo


34/94



Ejemplo: Onda triangular


35/94




36/94



Definiciones Importantes del anlisis de seales y equivalencia a Sinusoidal:

Valor eficaz de la seal distorsionada: THD o Factor deDistorsin Armnicatotal:

Generalmente serepresenta en %

TDD o Factor deDistorsin de DemandaTotal:

ILes la corriente de demanda mxima medidaSe refiere a corriente


37/94



Medida de los armnicos de la corriente de un PC

*10-1

FORMA DE ONDADE LA CORRIENTE

Tiene simetra de media onda, as que no existen armnicos pares


38/94



Medida de los armnicos de la corriente de un PC

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15

Armnico

Ih(%)

*10-1

ESPECTRO EN

FRECUENCIA

FORMA DE

ONDA


39/94




40/94



Horno de Microondas:


41/94




42/94




43/94




44/94




45/94




46/94



Hay que ponerle lmites a los armnicos presentes en la red?

La respuesta es S, pero solo existen normas o lmites para el PCC

Pcc

IEEE 519 o su adaptacin Mexicana por la CFE (CFE L0000-45 )


47/94



Lmites en Voltaje:

Fuente: Distorsin armnica. AP&C. Programa Ahorro Energtico Mexico. Ing. E.Tellez


48/94



Lmites en Corriente:

Icc/IL = relacin entre corriente de cortocircuito y corriente de demanda mxima.(Fortaleza del sistema) Fuente: Distorsin armnica. AP&C. Programa Ahorro Energtico Mexico. Ing. E.Tellez


49/94



Fuente: Distorsin armnica. AP&C. Programa Ahorro Energtico Mexico. Ing. E.Tellez


50/94



Cules son las consecuencias de los armnicos en la red?

Por qu hay que ponerles lmites?

Sobrecalentamiento en transformadores y motores Pares pulsantes en motores

Sobrecalentamiento

Aparicin de situaciones singulares de resonancia

Aumento de la intensidad eficaz que circula por las lneas Prdidas en el cobre por efecto pelicular Corrientes por el neutro por armnicos triples (3,6, 9,...)

Errores en la medida de potencia activa, reactiva y factorde potencia

Interferencia con sistemas de comunicacin y control Operacin incorrecta de contactores y rels Errores en los instantes de disparo de tiristores (ej. SVC)

Conductores

Mquinas

Elctricas

Condensa-

dores

Equipos

Recordando una lmina anterior


51/94



Podemos observar que hay problemas de:

Eficiencia

Temperatura

Malfuncionamiento de equipos de control y electrnica

Resonancias al colocar capacitores para FP

Vamos a dar una mirada a los ms importantes


52/94



Resonancias:


53/94



Resonancias:


54/94



Resonancias: Paralelo


55/94



Resonancias: Paralelo


56/94



Resonancias:

hr, frecuencia resonante


57/94



Ejemplo bsico de resonancia:

Recordar que en el tpico anterior se indic la importancia de la simulacin del

sistema con y sin el capacitor, para encontrar los puntos y frecuencias exactos deresonancia.Si no hay armnicos que exciten al sistema en ese punto, solo hay que estarpendientes, pero no hay riesgos para equipos y sistema elctrico.

Si se tiene un TRX de 2 MVA alimentando a una fbrica y la misma instala unbanco de condensadores de 500 kVAr, cul ser la frecuencia probable deresonancia?

De la tabla de la semana pasada, se puede aproximar el valor de Zcc = 5%

hr= ?

hr9


58/94



Resonancias: Serie


59/94



Resonancias: Serie


60/94



Impacto en la vida de los equipos

Los fabricantes establecen los lmites de funcionamiento de sus equipos por debajode sus valores de falla para tener una operacin adecuada y una vida prolongada, sinembargo, cuando existen condiciones de resonancia, dichos lmites pueden serexcedidos, acelerando su envejecimiento o provocando su falla.

La magnitud de los costos originados por la operacin de sistemas y equipos

elctricos con tensiones y corrientes distorsionadas, puede percibirse considerando losiguiente:

1. La sobre elevacin de 10 C en la temperatura del aislamiento en conductores,reduce su vida a la mitad.2. Un incremento del 10% en la tensin nominal del dielctrico de un capacitor,

reduce su vida a la mitad.

Estudios realizados sobre los efectos de la distorsin armnica, muestran reduccionesde 20% a 30% en la vida de capacitores y de 10% a 20% en la vida detransformadores.


61/94



Efectos en los transformadores

En los TRX, la principal consecuencia de las

corrientes armnicas, es el incremento de lasprdidas en conductores de arrollados y ncleo,debido a la deformacin de las corrientes defuga (Focault o Eddy).Ms prdidas significan mayor temperatura ypor tanto deterioro del aislamiento ydisminucin de la vida til.

Prdidas totales = Prdidas de ncleo y de carga.


62/94



Efecto de la conexin del TRX como filtro armnico:


63/94



Fuente:IEEE-1159-2009

Van

Vcn

Vbn

Secuencia PositivaABC

Van

Vcn

Vbn

Secuencia NegativaACB

Van

Vbn

Vcn

Secuencia Cero uHomopolar


Las secuencias


64/94



Las secuencias y los armnicos:

Fundamentalh=2

h=4h=3


65/94



Las secuencias y los armnicos:


66/94




Por tanto, un TRX en conexin D-Y, no permite que los armnicos 3, 6, 9 , 12,.Circulen hacia la red, desde las cargas aguas abajo. Ni desde la red, hacia lascargas aguas abajo.

Se denomina por tanto, filtro de secuencia cero.


67/94



Efectos en los mquinas rotativas: Principalmente Induccin (Jaula Ardilla)

Al circular corriente armnicas por los devanados estatricos, se generan flujosmagnticos armnicos e inducciones en los devanados rotricos, tambin concontenido armnico.


68/94



Efectos en los conductores:

Tercer armnico Secuencia cero

Problemas con el dimensionamiento del conductor de neutro o retorno


69/94



Mitigacin de armnicos:

Los armnicos se mitigan en la red, colocando filtros ubicados estratgicamente.


70/94




71/94



Filtro Pasivo:

Xc1

XL1

Se sintoniza a la frecuencia que se desea eliminar.La intencin es que resuene a esa frecuencia ysea el camino de menor impedancia, dirigiendo la

corriente armnica por ese trayecto.

Frecuencia de resonancia del filtro:

Manipulando:

h, armnico que se desea filtrar


72/94



Filtro Pasivo:

XL1

XC1

A 60 Hz, solo aparece Xc1

A la frecuencia de resonancia del filtro, la impedancia es cero

Por tanto, este filtro sirve como eliminador de armnicos,desintonizador del sistema y como corrector del FP.

Si hay ms armnicos en el sistema que se quieran

eliminar, solo hay que poner tantos filtros pasivos comofrecuencias se quieran eliminar de las seales decorriente.


73/94



Limites para

capacitores de potencia

Valores incluyendoarmnicas

Limite en % delnominal

Irms 180

Vrms 110

Vpico 120

Q 135

I1

+V_

Ih

+V h1_

V

h

XIV

XIV

XX

VI

IVQ

VVV

VVV

III

Chh

C

LC

rmsrms

hpico

hrms

hrms

3

3

)(3

3

11

1

1

22

1

22

1

Voltaje de lneaCorriente de fasePotencia trifsicaImpedancias de fase

IEEE-18-1980


74/94



a) Se considera que el horno entra en operacin durante la tarde

b) Verificar si existe un problema de resonancia al entrar en operacin el horno

c) Si se requiere tener un FP de 0.95 durante la tarde Cual sera la capacidad del banco decapacitores adicional?. Si se tiene en el almacn tres bancos de 45 KVAR, 65 KVAR y 75

KVAR cual de ellos se usara?

d) Si el banco de capacitores adicional debe ser usado como filtro para as no daar al

existente de 50 KVAR, a que frecuencia se sintonizara?

e) El banco de capacitores usado en el filtro soportara ser parte del mismo?

Ejemplo de Clculo y dimensionamiento de filtros que mejoran FP:


75/94




76/94



Horno de induccin

Hay un riesgo de resonancia al entrar el horno, ya que el mismo tienecomponentes de 11vo armnico


77/94




78/94




79/94

Prof. Miguel Martnez Lozano([email protected]) 79


80/94



81/94


Para controlar magnitud de corriente al 7mo


82/94


Verificando que no se superen los lmites de la IEEE 18


83/94



84/94


I1

+V_

Ih

+V h1_

V


85/94



86/94


Tipos de filtros pasivos empleados:


87/94


Filtro Pasivo:


88/94


POTENCIA CUANDO LAS SEALES ESTN DISTORSIONADAS

En rgimen armnico, hay una extensin en las definiciones de potencia enrgimen sinusoidal.

En trminos generales, para un sistema senoidal:

T

rms

T

rms dttiT

IdttvT

V0

2

0

2 )(1

)(1

rmsrmsIVS

)cos()(

)cos()(

101

01

tIti

tVtv)2cos(

2cos

2)( 10

111

11 tIVIV

tp

W

VAr

P

QS

22

sincos

QPS

SQSP


89/94


Si ahora el rgimen no es senoida (por facilidad supongamos distorsin en I:

N

n

nn tnIti

tVtv

1

0

01

)cos()(

)cos()(

N

n

nn

N

n

nn

tntIV

tIVIV

tnItVtitetp

2

001

1011

111

1

001

)cos()cos(2

)2cos(2

cos2

)cos()cos()()()(

N

n

nrmsrms IIVV1

21

21

2


90/94


Generalizando:

Como se puede observar deja de cumplirse que S2=P2+Q2

Se define entonces como potencia aparente (A)


91/94


Potencia Aparente Total: Trmino nuevo

Potencia de DistorsinPotencia Deformadora

(VAd)

Trmino nuevo

Potencia No Activa(VAd)

Y se cumple, que:


92/94


Ya no hay un tringulo de potencias:

FP ante distorsin

( ) 1 0 ( )


93/94


0

0 0 0

0 0 0

( ) 170cos( )

( ) 40 cos( 10 ) 32 cos(3 30 ) 24 cos(5 50 )

16 cos(7 70 ) 8 cos(9 90 ) 4 cos(11 110 )

v t t V

i t t t t

t t t A

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200Clculo:

N

n

nrmsrms IIV

V1

21

2

1

2

Vrms = 120.21 VIrms = 42.04 A

S = 5054.54 VA

P = 3348.34 W N =3786.41 VAna

Q= 590.40 VAr

A= 3399.99 VA

D= 3740.1 VAd

FP = 0.6625


94/94

Contacto con el Profesor:

Ing. Miguel Martnez Lozano

[email protected]

@mmlozanousb
mailto:[email protected]:[email protected]

calidad de servicio-mml

Documents