capacitores coseno fi armónicas filtros

CAUE-2005 capacitores 1

CapacitoresCoseno FiArmónicas

Filtros Problemas que se presentan

Posibles planteos

Posibles soluciones


Cargas

• Las cargas alimentadas por la red se representan como P + j Q

• Al observar una carga cualquiera se destaca la dependencia del tiempo P(t) + j Q(t)

• La carga se alimenta desde la red, con cierta corriente

• La corriente causa perdidas activas R * I^2 y reactivas X * I^2

• Caídas de tensión que dependen de R*P + X*Q

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Efectos

• La corriente depende de P + j Q, si se reduce Q se reduce la corriente

• La corriente mínima se presenta con Q = 0• Corriente menor, menores pérdidas.• Menor Q menores caídas de tensión.• La inversión (dinero) en la red depende de las

corrientes que se deben transportar.• El costo de la energía al usuario, depende del costo

de generación, de las perdidas, de la inversión.


La facturación

• La facturación de energía se basa en distintos factores:

• Potencia máxima utilizada por el usuario• Energía activa (en distintas fajas horarias)• Energía reactiva• Coseno fi determinado a partir de las energías• En horas de máxima se pretende que los usuarios

tengan un cos fi próximo a 1 pudiendo ser capacitivo• En horas de mínima carga no debe ser capacitiva


Registro de carga

• El registro muestra P(t) + j Q(t)• Agregamos – j Qc constante, que representa un

banco de capacitores• Queda P(t) + j (Q(t) – Qc) que es integrado por los

contadores de energía• Se puede probar distintos valores de Qc, y cada

simulación permite determinar el valor de la factura.• La batería Qc puede dividirse en módulos, y estos se

maniobran con cierta estrategia.


El banco de capacitores

• Definida la potencia del banco se trata de construirlo con capacitores elementales (suponemos un banco de MT de algunos MVA)

• Los capacitores están contenidos en cajas metálicas de cierta tensión nominal y presentan cierta potencia

• Para construir el banco trifásico son necesarios cierta cantidad, múltiplo de 3.

• Los capacitores elementales pueden llegar a una potencia de la caja de 200 – 900 kVAr

• La máxima economía se consigue con las cajas mayores (mayor potencia menor peso especifico)


Elección de la tensión

• En media tensión el banco trifásico se conecta en estrella Y

• Al hacer esto la tensión nominal de las cajas es menor.

• Se debe considerar la tensión (máxima) en barras de alimentación del banco, incluyendo la sobreelevación de tensión que se produce por el banco, particularmente cuando la red queda en vacío.


Protección• Los capacitores pueden ser con fusibles internos: las

fallas de sus capacitores componentes son protegidas, pero la caja varia su capacidad, y debe ser periódicamente controlada

• Sin fusibles internos: la protección se hace con un fusible externo, la falla interna produce su actuación y se pierde la caja.

• La calidad de capacitores que se puede conseguir hoy, hace que las fallas de los componentes sean muy reducidas, las razones que inclinan hacia una u otra solución deben analizarse en cada caso.


Protección del banco

• Los capacitores son sensibles a las sobretensiones, pero estas se manifiestan también como sobrecorrientes (relés de tensión / relés de corriente)

• Si el neutro del banco no esta a tierra se puede dividir el banco en mitades, doble estrella, y comparar el desequilibrio entre ambas (relé de corriente de desequilibrio).

• También si el neutro está a tierra es posible el rele de desequilibrio.

• Bibliografia: 2003 Conference for Protective Relay Engineers - Texas A&M University - Gustavo Brunello, Bogdan Kasztenny, Craig Wester


Temas de estudio• Corrientes de inserción, de banco único, de bancos

en paralelo• Para limitar las corrientes de inserción se agregan

reactores serie, función limitador• Corrientes de desequilibrio, primero causados por la

dispersión de los valores de las cajas, luego por los fusibles internos o externos.

• Transitorios de actuación de los fusibles• Apertura, tensión entre bornes del interruptor durante

la interrupción.• Descarga de los capacitores, cuchillas de tierra.


Otros efectos

• La red queda constituida por capacitores en paralelo con la carga, la alimentación de la carga se hace desde la red.

• La red y la carga son esencialmente impedancias inductivas, los capacitores no…

• La impedancia de la red vista desde un punto muestra valores variables con la frecuencia.

• Este grafico es llamado frecuency scan


Diagrama de impedancias

• Se alimenta el circuito equivalente que corresponde a la red y a la carga con corriente (de valor constante) de frecuencia variable.

• I * Z = U • Se representa el valor de la impedancia o de la

tensión en función del número de armónica (frecuencia)

• La lectura de este diagrama permite adquirir sensibilidad a las tensiones armónicas presentes, que deforman la onda fundamental


Armónicas presentes• Si los equipos generadores de armónicas son

existentes, se pueden medir en la red las armónicas presentes.

• En muchas redes se encuentran instalados aparatos de medición de calidad de servicio que entregan valores de armónicas…

• La dificultad está en que no siempre la interpretación de esta información es intuitiva o fácil…

• En redes nuevas se debe hacer una buena estimación, generalmente la dificultad es obtener información de las futuras cargas


Distribución de armónicas

• Con los valores de amplitud de las corrientes inyectadas que corresponden a cada armónica se puede determinar el flujo de cada armónica en la red.

• Se puede hacer un diagrama que muestra la amplitud de las distintas armónicas en una rama, o la distorsión de tensión en los distintos nodos.

• Estos cálculos se hacen con determinada inyección de armónicas hamonic frequency scan


Dependencia de la carga

• Las armónicas varían con la carga, para observar relaciones se hacen gráficos de correlación.

• Se puede encontrar que hay casos con correlación entre carga y amplitud de las armónicas presentes

• A veces no hay correlación.


Efectos de las armónicas

• La consecuencia de cada corriente armónica es una deformación de la tensión que se presenta en cada nodo.

• Frecuentemente se aplica el método de superposición, los resultados son discutibles, pero se consideran validos al menos en primera aproximación.


Los filtros

• Se trata de generar un camino que cortocircuite las corrientes armónicas cerca de donde se generan.

• Zn = j N w L - j 1 / (N w C)• Para una dada armónica N se tiene Zn = 0• Se produce resonancia, impedancia nula• Se pueden poner filtros de este tipo en paralelo para

amortiguar distintas armónicas• Es interesante observar el diagrama de impedancia

armónica del conjunto red y filtros


Filtro de primer orden R C

Filtro de segundo orden pasa banda

Filtro de segundo orden amortiguado resistivo

Filtro de tercer orden amortiguado

Filtro de tercer orden tipo C


Dimensionamiento del filtro

• 0 = N w L - 1 / (N w C) de aquí N^2 = 1 / (w^2 L C)• Q = U^2 / (w L - 1 / (w C)) para la fundamental• L = 1 / (N^2 w^2 C)• Q = U^2 w C / (1 – 1 / N^2) potencia del filtro• Aceptemos que los datos son: U tensión en barras, Q

potencia, N armónica de resonancia,• Quedan determinados C y L• Observemos que la tensión aplicada a los

capacitores es mayor que la que se tiene en barras.


continua• Uc = Ubarras / (1 – 1 / N^2)• La tensión en barras debe cubrir los valores máximos

que normalmente se presentan• Los incrementos mayores para la tensión de los

capacitores se dan con las sintonías en menores armónicas

• Es necesario evaluar las tensiones y corrientes presentes en los componentes del filtro cuando este esta sometido a las condiciones de armónicas presentes en la red, resultados que se obtienen del harmonic frequency scan


Especificación de los componentes

• Para el capacitor es importante encontrar las tensiones armónicas presentes que se deben componer con la fundamental, la solución mas segura es sumar amplitudes sin tener en cuenta que son de distintas frecuencias, mas racional parece que es componer los valores eficaces ...

• También es importante evaluar la corriente en los capacitores, considerando también las armónicas.

• Para los reactores también se requiere encontrar tensiones y corrientes


continua• También es necesario especificar el eventual

resistor, tensión, corriente, potencia.• Estas especificaciones deben cubrir situaciones de

funcionamiento normal, considerar las tolerancias de los componentes que varían el ajuste de sintonía, y condiciones de falla de algún componente

• Obsérvese que a medida que los filtros aumentan de orden, la proyección de los componentes es muy dificultosa.


Verificación

• Dimensionados los filtros es necesario verificar sus prestaciones en al red.

• Interesa determinar la distorsión de la tensión en barras, las corrientes que fluyen hacia las distintas zonas de la red.

• Los reglamentos de calidad de servicio fijan limites de compatibilidad.

• Los filtros en la red están sometidos a las armónicas que inyectan todos los usuarios, no solo el que tiene interés en filtrar su producción de armónicas


Conclusiones• El filtro es un problema de múltiples facetas.• Frecuentemente el proyectista del filtro es el

fabricante de los capacitores, componente de mayor peso

• Quien conoce las armónicas que se presentaran es quien conoce la red

• Quien proyecta el filtro debe especificar componentes de subproveedores, capacitores, inductores, resistores, cables de conexión, interruptores...

• Cada componente implica una especificacion que debe corresponder a solicitaciones para nada normales.


Conclusiones

• Generalmente es difícil transmitir al proyectista todas las exigencias, y asegurarse de que son correctamente tenidas en cuenta.

• Muchas situaciones tienen una gran relación con la carga y la operación de la red...

• Las situaciones de funcionamiento son muchas... hay que estudiar mucho... Lo que no se estudia antes... Se debe estudiar después (y sale mas caro !)


FIN

Por su atención gracias

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