filtros activos compensacion armonicos sp julio 2014

FILTROS ACTIVOS PARA COMPENSACION DE ARMONICOS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA

Gianmarco Serrano Cabarcas. Carlos Alberto Rey Soto (Director)

Semillero en Prospectiva Energética de Colombia al 2050

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Resumen- En el este artículo se presenta una introducción a las problemáticas en los sistemas de potencia como lo son la presencia de armónicos en las redes eléctricas y la falta de compensación de potencia reactiva (kVAR). Además del uso de filtros activos de potencia como método para reducir la contaminación en las redes causadas por las anteriores problemáticas.

Índice de Términos—: THD, Distorsión armónica total, Filtros activos, Fasor, Triplens, Armónicos, Armónicos de corriente, Sistema de potencia, Cargas no lineales, Distorsión, Potencia reactiva, kVAR.

I. INTRODUCCIÓN Tradicionalmente, la calidad del servicio eléctrico se ha identificado con la continuidad en el suministro, pero desde hace unos años se han venido incorporando nuevos conceptos como la calidad de la onda y la atención comercial. El mantenimiento de la calidad de la onda depende de múltiples factores, desde los propios del sistema eléctrico hasta la actuación de los consumidores en la red. El concepto que nos atañe en este artículo es el de la calidad de la onda, debido al incremento en la cantidad de equipos sensibles a perturbaciones en la red. Más del 50% de estas perturbaciones en la red eléctrica están relacionadas con la tensión, donde interesará estudiar la diferencia de la forma de onda con respecto a la ideal.

Los tipos de perturbaciones más conocidos son las caídas y los aumentos de tensión, la aparición de armónicos y, para sistemas trifásicos, los desequilibrios en la red y cambios rápidos de potencia reactiva.

II. DEFINICIONES

A. Armónicos

Los armónicos son corrientes o voltajes cuyas frecuencias son múltiplos de la frecuencia fundamental como una desviación permanente de la forma de onda de tensión respecto a una senoidal. [1] Son un subproducto de la electrónica moderna producida por computadores, impresoras, motores de velocidad regulable, equipos médicos, ascensores y otros equipos que absorben corriente en forma de pulsos cortos. [6]

B. Clasificación de armónicos

Cada armónico tiene asociado nombre, frecuencia y secuencia, de la siguiente forma:

Nombre Fundamental 2° 3° 4° Frecuencia 60 120 180 240 Secuencia + - 0 + La secuencia se refiere al giro del fasor con respecto a la fundamental (F), expresado en otras palabras indica el sentido en que giraría el rotor de un motor, al ser excitado por esa señal. Secuencia directa (+) indica que el sentido de giro es el horario. Secuencia inversa (-) indica un sentido de giro

FILTROS ACTIVOS PARA COMPENSACIÓN DE ARMÓNICOS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

DE ENERGÍA ELÉCTRICA




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antihorario. Secuencia cero (0) indica que no gira. [1] Dependiendo de su secuencia y rotación, los armónicos presentan diferentes efectos:

1. Secuencia (+): Rotación Directa, puede producir calentamiento de conductores, rotura de circuitos, etc. [1]

2. Secuencia (-): Rotación Inversa, produce un freno en el motor, además calentamiento de conductores y pueden quemar los motores de inducción trifásicos. [1]

3. Secuencia (0): Los armónicos de secuencia cero (llamados normalmente triplens) se suman al neutro de la red (si ésta es de cuatro hilos) y son los causantes de sobrecalentamientos. [1]

C. Distorsión armónica total (THD)

Representa la relación entre el valor eficaz del residuo armónico y el valor eficaz de la componente fundamental. Para definir el grado de distorsión que tiene una señal se utilizan coeficientes de distorsión armónica dados en porcentaje de cantidades eléctricas. [1]

III. EFECTO DE LAS CARGAS NO LINEALES Los equipos de electrónica de potencia han proliferado en la industria gracias a sus beneficios con el control de procesos y, especialmente, con el ahorro de energía. Sin embargo, traen algunos inconvenientes importantes a los sistemas de distribución eléctrica. [2]

Actualmente la red de distribución eléctrica presenta una forma de onda de tensión que se ve afectada por diversos motivos: fallas en las líneas de transmisión, fallas en los centros de generación, conexión y desconexión de cargas, fenómenos atmosféricos, etc. Por otro lado los usuarios someten a la red eléctrica a la influencia de una serie de cargas que afectan la forma de onda de tensión con caídas permanentes o transitorias, picos de demanda en los arranques de motores y sobretensiones en los proceso de parada, por lo que estas perturbaciones pueden llegar a dañar las cargas y producir consumos no adecuados para la red. [3] Los dos problemas que se originan por estas causas, en los sistemas de distribución de potencia, pueden resumirse en: - Presencia de armónicos de corriente en las redes eléctricas. - Falta de compensación de potencia reactiva (kVAR). Los armónicos pueden perturbar el funcionamiento normal de otros dispositivos y aumentar los costos de producción. Además, los rápidos cambios de potencia reactiva generan demandas instantáneas de reactivos (kVAR), que dan origen a una falta de compensación de potencia reactiva (kVAR) en forma oportuna y adecuada, lo cual puede dar lugar a fluctuaciones adicionales de tensión en el sistema de distribución eléctrica, afectando así el funcionamiento de los equipos. [3] La presencia de altos niveles de armónicos y la baja compensación de potencia reactiva, generan problemas graves en el Sistema de Distribución, que incluyen sobrecalentamiento de transformadores, motores, variadores, cables, disparo térmico de los dispositivos de protección y fallas lógicas de los dispositivos digitales. Además, la vida útil de muchos de aparatos puede reducirse con la elevada temperatura de funcionamiento. [3]




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El problema de las componentes armónicas en los sistemas de distribución de energía eléctrica tiene su origen en el uso de cargas no lineales, lo cual se ha incrementado notablemente a partir de la década de los 70. Debido al desarrollo de la Electrónica de Potencia, la red eléctrica debe trabajar con cargas de naturaleza no lineal como lo son: variadores de frecuencia para regulación de velocidad de motores de CA, rectificadores (monofásicos y trifásicos), convertidores estáticos, etc., los cuales generan corrientes armónicas en la red eléctrica. [3] Los armónicos de corriente que produce un variador de frecuencia o cualquier carga de naturaleza no lineal, representan un serio problema para la red eléctrica debido a que producen perturbaciones en la forma de onda de tensión, que pueden afectar el funcionamiento normal de otros dispositivos y aumentar los costos de producción en una instalación industrial. Para resolver este problema se han planteado varias soluciones que van desde mejorar la calidad en las líneas de transmisión, reduciendo la impedancia de la red, hasta la instalación de filtros activos que permiten mejorar la onda de tensión. [3] Para resolver este problema en los Sistemas Trifásicos de Potencia, se puede recurrir a la instalación de un Filtro Activo de Armónicos, que proporciona una forma sencilla y eficaz para mitigar los armónicos así como la reducción de las fluctuaciones de tensión, contribuyendo en forma efectiva al mejoramiento de la vida útil de los equipos y la capacidad del sistema. [3] El filtro activo atenúa y elimina las perturbaciones presentes en la tensión de entrada a excepción de los cortes largos, proporcionando a la carga una forma de onda de tensión casi senoidal. [3]

IV. FUENTES BÁSICAS DE PERTURBACIONES Y TIPOS DE PERTURBACIONES

Para poder reducir las perturbaciones con la máxima eficacia posible, es conveniente conocer sus características: como son y cómo se originan. [4]

Las fuentes de perturbaciones más abundantes en la red eléctrica, en la actualidad, son los diversos tipos de convertidores estáticos conectados a la red, y en particular los rectificadores, controlados o no, asociados con diversos tipos de cargas inductivas o capacitivas. En las figuras 1 y 2 se muestran, de forma esquemática, estos dos tipos de cargas básicas. [4] En primer lugar nos encontramos con una estructura de puente rectificador que alimenta una carga principalmente inductiva. La forma de onda la señal de corriente será del tipo mostrado en la propia figura. [4] En segundo lugar con tendencia a presentar una forma de señal cuadrada, en la que la anchura de los diversos semiperiodos dependerá del número de fases y del control del rectificador, si este es del tipo controlado o semicontrolado. [4]

Figura 1 ‘Circuito rectificador con carga inductiva’ (Fuente: Filtros activos de potencia)

Figura 2 ‘Circuito rectificador con carga capacitiva’

(Fuente: Filtros activos de potencia)




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El otro tipo de carga, no lineal, muy frecuente en redes monofásicas domésticas y de oficinas, es el rectificador con carga capacitiva, esquematizado en la figura 2. En este caso la forma de onda de la corriente tiene picos estrechos y de gran amplitud, tal como aparece en la misma figura 1. [4]

V. FILTROS ACTIVOS Con el aumento constante de las cargas no lineales conectadas a la red de alimentación aparecen muchos problemas de distorsión y pérdida de eficiencia debidos al bajo factor de potencia. Una de las formas de mejorar esta situación, es la utilización de filtros activos de potencia (APF), por lo que en los últimos años se han desarrollado distintas estructuras para su implementación práctica. [4] Las cargas no lineales conectadas a la red consumen corrientes que no son senoidales, o sea, tienen un contenido importante de armónicos. Este efecto se muestra en la parte superior de la figura 3. [4] Así mismo este consumo de corrientes no senoidales, aplicada a una red eléctrica de impedancia no nula, produce una distorsión en la forma de la tensión en los puntos de conexión de los equipos a la red. Este efecto se representa en la parte inferior de la figura 3. [4] El propósito de un filtro activo es el de reducir los dos problemas anteriores; de forma que la corriente que circule por la red eléctrica sea senoidal y que la tensión aplicada a las cargas también lo sea. Para conseguir los dos objetivos anteriores, se pueden utilizar distintas topologías de filtros. Con lo que es necesario realizar una clasificación para su estudio. [4] Cabe señalar que los filtros activos presentan como principales ventajas frente a los pasivos; que pueden adaptarse a las condiciones cambiantes de la carga y de la propia red eléctrica; que se reduce la posibilidad de aparición de resonancias entre la red y el filtro (posible causa de sobretensiones en

puntos concretos de la red); y que además de la reducción de armónicos los APF pueden también acometer otras tareas como son la corrección del coseno de φ (desfase entre las ondas de tensión y corriente) y el equilibrado entre las fases. [4]

Figura 3 ‘Filtro activo de potencia’


Antes de presentar las clasificaciones de los APF es conveniente presentar los distintos tipos de perturbaciones que se pueden presentar en la red eléctrica; para conocer las distintas funciones que puede tener que realizar un APF. Estas funciones son las siguientes: Reducción de los armónicos de corriente que circulen por la red, entre el APF y los centros de generación de energía. [4] Reducción de la corriente por el neutro. Si este existe la amplitud de los armónicos de corriente múltiplos de tres se suman a través del neutro. [4] Reducción de los armónicos de tensión en los puntos de conexión de las cargas. [4] Corrección del factor de potencia provocado por un cos φ distinto de la unidad. [4] Equilibrado de la corriente que circula por las distintas fases. [4] Equilibrado de la tensión entre fases y con el neutro. [4]




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VI. TIPOS DE FILTROS ACTIVOS Los filtros utilizados para la reducción de perturbaciones en la red eléctrica se pueden clasificar de varias formas. [4] Dependiendo de cómo se conecta el filtro respecto a la carga, podemos distinguir entre filtros serie, paralelo y serie-paralelo o mixtos (figura 4). Desde un punto de vista práctico, cada una de estas topologías, actúa de forma distinta. [4]

Figura 4 ‘Filtros paralelo y filtros serie’ (Fuente: Filtros activos de potencia)

Los filtros paralelos actúan básicamente como una fuente de corriente, que tiene como misión contrarrestar los armónicos de corriente, generados por la carga, de forma que, la corriente en la red, suma de corrientes de la carga y el filtro sea senoidal. [4] Por otro lado los filtros serie se comportan como una fuente de tensión en serie con la propia red, y su principal función es que la tensión en bornes de la carga sea senoidal. [4] Finalmente los filtros mixtos son la unión de un filtro serie y otro paralelo, con lo que su función es conseguir un consumo de corriente senoidal y una tensión en la carga también senoidal. En las figuras 5 y 6 se presenta el efecto de cada una de las topologías de filtros activos: serie y paralelo. [4] Para la reducción de la distorsión de la corriente en el punto donde se conecta el APF se acostumbra a

utilizar un filtro de tipo paralelo; mientras que para la reducción de la distorsión de la tensión en la carga se utilizan filtros serie. [4]

Figura 5 ‘Aplicación de un filtro activo topología Serie’


Figura 6 ‘Aplicación de un filtro activo topología Paralelo’


En general las aplicaciones de las distintas estructuras son las siguientes: Filtros serie:

a. Reducción de armónicos de tensión en la carga.

b. Regulación de la tensión. c. Reducción del Flicker y los microcortes de

tensión. Filtros Paralelo:

a. Reducción de los armónicos de corriente. b. Compensación del factor de potencia. c. Reducción de la corriente por el neutro.




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VII. APLICACIÓN DE FILTROS ACTIVOS La muestra citada es de un filtro activo de la empresa Schneider Electric, donde usan el filtro AccuSine® como ejemplo práctico de su funcionamiento y como este reduce los armónicos de corriente en el circuito mostrado en la figura 7. El sistema de corrección de potencia AccuSine® inyecta corriente armónica y reactiva para limitar la distorsión y mejorar el factor de potencia total para el sistema de distribución de energía eléctrica en cualquier instalación. [2] El filtro AccuSine® mide la corriente total de carga del sistema, determina la componente fundamental e inyecta a la red la componente armónica en fase opuesta, de tal forma que los armónicos quedan cancelados. [2]

Figura 7 ‘Aplicación de un filtro activo topología Paralelo’ (Fuente: filtro AccuSine®, Schneider electric)

Figura 8 ‘Ia: Corriente inyectada por el filtro Accusine®’ (Fuente: filtro AccuSine®, Schneider electric)

Figura 9 ‘Is: Corriente de las fuentes (libre de armónicos)’ (Fuente: filtro AccuSine®, Schneider electric)

Figura 10 ‘Ib: Corriente de carga’ (Fuente: filtro AccuSine®, Schneider electric)

VIII. CONCLUSIONES

1. Los sistemas eléctricos cuentan actualmente con una gran cantidad de elementos llamados no lineales, los cuales generan a partir de formas de onda sinusoidales y con la frecuencia de la red, otras ondas de diferentes frecuencias ocasionando el fenómeno conocido como armónicos.

2. Los armónicos son un fenómeno que genera

problemas tanto para los usuarios como para la entidad encargada de la prestación del servicio de energía eléctrica ocasionando diversos efectos nocivos en los equipos de la red.

3. La relevancia de resolver el problema de caídas de tensión en un sistema eléctrico a través de la disminución de la reactancia de las líneas de transmisión y distribución del




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mismo, así como la eliminación de armónicos debido a cargas contaminantes, radica en el mejor aprovechamiento del sistema eléctrico tanto para la compañía suministradora como para los usuarios interconectados.

4. Muchas de las cargas conectadas a la red no son lineales; y para reducir los armónicos generados por estas es necesaria la instalación de filtros. El tipo de filtro a utilizar depende de cada tipo de carga. Los filtros activos permiten reducir distintos tipos de perturbaciones y adaptarse en cada momento al estado de la línea y a las cargas conectadas.

5. El filtro activo de tensión es un equipo que representa una solución acertada cuando se requieren corregir problemas relacionados con la tensión de la red eléctrica, es muy práctico en aplicaciones monofásicas y es una buena opción en sistemas trifásicos. Es una solución que se justifica para aplicaciones de media y alta potencia debido al efecto que pueden producir las perturbaciones a estos niveles de potencia en equipo industrial.

REFERENCIAS

[1] ANALISIS DE METODOS DE COMPENSACION DE ARMONICOS CON FILTROS ACTIVOS Alexander Gutierrez Alvarez, Lina Maria Torres Camacho, Proyecto de grado Universidad Tecnológica de Pereira Facultad de ingeniería eléctrica Pereira, 2007 [2] ACCUSINE® FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS Schneider electric, 2010, PDF [3] FILTROS ACTIVOS PARA COMPENSACION DE ARMONICOS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA Carlos Alberto Rey Soto Ingeniero Electricista UIS 1967 Ms.C. Sistemas de Potencia UFRJ 1970 [4] FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA M. Lamich UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Departament d’Enginyeria Electrònica [5] FILTRO ACTIVO SERIE TRIFÁSICO PARA COMPENSACIOND E ARMONICOS DE TENSIÓN T E S I S Maestría en ingeniería electrónica GUSTAVO IVÁN ALARCÓN ROCHA Instituto tecnológico de San Luis de Potosí 2000

Autor Gianmarco Serrano Cabarcas Estudiante Ingeniería en energía Septimo semestre Universidad Autónoma de Bucaramanga

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