Calidad de La Energia y Sus Armonicos Deingenieria.com

7/25/2019 Calidad de La Energia y Sus Armonicos Deingenieria.com

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LosArmnicos

y la Calidad de laEnerga Elctrica

Jean-Baptiste Joseph Fourier,matmatico francs (1768-1830)

Sistema trifsico equilibrado

Sistema trifsico desequilibrado

12 0 1 20

120


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ARMNICOS Calidad de la energa elctrica

Los parmetros fundamentales que determinanun suministro de energa elctrica son: la tensinde alimentacin (U) y la corriente (I).

El correcto suministro de la tensin (U) y la capaci-

dad de entregar a los usuarios la energa elctricanecesaria en un determinado momento, dependede la compaa suministradoras encargadas dedistribuir la energa elctrica depende de las com-paas suministradoras.

En Espaa, la tensin se suministra a 400 voltios(V) en un sistema trifsico con una frecuencia de50 Hz, considerando esta tensin como baja hastael valor de 1000 V. A partir de los 1000 V y hasta los 25 kilovoltios (kV) se considera media tensin,la cual depende de las zonas y de las compaas suministradoras. Por ltimo, desde los 25 kV seconsidera alta tensin y es utilizada, principalmente, para transportar la energa elctrica a grandesdistancias.

CALIDAD (correcto suministro de energa)ydeEFICIENCIA DE LA ENERGIA ELCTRICA(obtener el mximo rendimiento de la misma).Poresta razn, hay que optimizar al mximo la energa consumida, as como su transporte y utilizacin,garantizando el correcto funcionamiento de los equipos elctricos en las instalaciones.

- no productivas, como la energa reactiva (ver el captulo de Compensacin de Energa Reactiva), ascomo la energa de distorsin que generan algunos equipos elctricos con componentes no lineales: -cos, entre otros muchos.

Aspectos negativos de la CALIDADdel sumi-nistro elctrico segn se recogen en la normaEN-UNE-60150:1996


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ARMNICOSPerturbaciones de la red elctrica

Tomando como referencia la norma UNE-EN-60150 ci-tada anteriormente, se exponen a continuacin algunasperturbaciones importantes en la red elctrica.

LAS VARIACIONES DE LA FRECUENCIA

de 10 segundos, estas variaciones provocan el incorrectofuncionamiento de los motores elctricos, tanto asncro-nos como sncronos; aparatos electrodomsticos, etc.

EL DESEQUILIBRIO EN EL SISTEMATRIFSICO

El sistema trifsico de tensin o corriente est perfecta- un desplazamiento angular de 120 entre ellas y los m-

dulos de sus vectores tienen la misma magnitud.

Cuando el sistema esta desequilibrado puede ocurrir que los mdulos vectoriales de cada una de lasfases sean distintos, que el espacio angular (desfases) entre dos vectores sea diferente de 120, o queocurran ambas cosas a la vez.

Esta forma de representar el sistema trifsico equilibrado o desequilibrado es vlido, tanto si el sistematiene solo tres hilos o cuatro hilos, neutro incluido.

Los desequilibrios no deben superar los siguientes parmetros:

Cuando el sistema esta desequilibrado aumenta la corriente en el neutro.

Sistema trifsico equilibrado

Sistema trifsico desequilibrado

120 120

120


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ARMNICOS

Jean-Baptiste Joseph Fourier,matmatico francs (1768-1830)

Los armnicos

armnica como una tensin senoidal cuya fre-cuencia es mltiplo entero de la frecuencia fun-damental de la tensin de alimentacin en el sis-tema.

El matemtico francs Fourier - cualquier seal peridica,por compleja que sea, se puede descomponer enuna suma de seales senoidales cuya frecuenciaes mltiplo de la frecuencia fundamental o de re-ferencia.

Desde el anlisis de RTR ENRGIA S.L., se piensa -dad prctica de lo que es un armnico; aunque nose va a entrar en el desarrollo de la serie matem- este manual.

Los armnicos generan cargas no lineales, queconectadas a la red elctrica alterna y senoidal,absorben corrientes no lineales y cuya amplitud yfrecuencia depende de la deformacin de la ondade corriente al aplicar una tensin senoidal. Estascargas no lineales son por lo general peridicas.

Onda deformada

Fundamental

3 armnica

1 23

ORIGEN DE LOS ARMNICOS

Entre otros muchos, los principales causantes de las distorsiones armnicas son:

Las reactancias electromagnticas y electrnicas de alumbrado.Equipos de soldadura elctrica.Equipos electrnicos conectados a la red monofsica.Las reactancias electromagnticas para lmparas de descarga.Arrancadores electrnicos.Variadores de velocidad.

EFECTOS DE LOS ARMNICOS EN LA RED ELECTRICA

Aumento de la potencia a transportar, empeorando el factor de potencia de la red.Disparo intempestivo de interruptores automticos. Vibraciones y sobrecargas en las mquinas.Creacin de inestabilidad en el sistema elctrico.

Disminucin de la impedancia de los condensadores (XC= 1/ ), lo que da lugar al fallo de la ba-

tera autorregulada instalada para la correccin del factor de potencia cuando aparece el fenmenoRESONANTEXL= XC, esta situacin es explicada con ms detalle en el apartado D.

Las compaas elctricas, estn analizando las penalizaciones a aplicar a las instalaciones indus-

triales que sean generadoras de armnicos, de igual forma que lo hacen para aquellas que generanenerga reactiva.

Perturbaciones en equipos de control.


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ARMNICOSParmetros de los armnicos

-tamente la funcin del armnico correspondiente en las redes elctricas.

EL ORDEN DE LOS ARMNICOS

Partiendo de que la frecuencia fundamental en Espaa es de 50 Hz, el nmero de orden determina el orden natural de los nmeros

fn) y la frecuencia funda-mental (f50).

50f

fn

n=

LA FRECUENCIA

-mental (50 Hz), por ejemplo:

Los armnicos de orden impar son los que se encuentran en las redes elctricas de la industria,

asimetra en la seal elctrica.

Orden1

2

4

5

6

8

9

...

n

Frecuencia50

100

150

200

250

250

400

450

...

50n

Secuencia+

-

0

+

-

0

+

-

0

...

...

Parmetros de los armnicos ms usuales

LA SECUENCIA

La secuencia positiva o negativa de los armnicos no determinan un comportamiento concreto de losmismos en la redes elctricas, son igual de perjudiciales unos que otros.

En el caso concreto de las bateras de condensadores para la correccin del factor de potencia son msperjudiciales los de secuencia negativa, y fundamentalmente el 5.

Por el contrario, los de secuencia cero, al ser su frecuencia mltiplo elctrico de la fundamental, sedesplazan por el neutro, haciendo que por l circule la misma o ms intensidad que por las fases con elconsiguiente calentamiento del mismo, de ah la necesidad de igualar la seccin del neutro a las fases.


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ARMNICOS

100

100

50

50

=

=

fca

fca

n

fca

fca

n

I

I%IHD

U

U%UHD

n

n

TASA TOTAL DE DISTORSION ARMONICA: THDU- THDI

EL ESPECTRO ARMNICO

Para una mejor comprensin se va a referenciar el THD a los dos valores fundamentales: la tensin

Uca Ica).

100

1

22

4

2

3

2

2

2

++++

= h

hhhhTHD

n

f n

100

1

22

4

2

3

2

2

2

++++

=

ca

ncacacaca

UU

UUUUTHD

n

100

1

22

4

2

3

2

2

2

++++

=

ca

ncacacaca

nII

IIIITHD

n se limita al armnico nmero 40.

La THDIes generada por las cargas de circuitos no lineales en la instalacin;

La THDUes generada por las fuentes, como resultado de una corriente en el circuito muy distorsionada.

El espectro armnico es la descomposicin de

una seal en sus armnicos en el dominio de lafrecuencia. As se representa en un diagrama debarras el porcentaje de cada una de las sealesarmnicas, cuya suma produce la seal total ana-lizada. -nico donde el 5 armnico alcanza un valor prxi- 0

10

20

30

40

50

60

70

THDU

50 Hz 150 Hz 250 Hz 350 Hz

TASA DE DISTORSIN ARMNICA INDIVIDUAL EN TENSIN (U)E INTENSIDAD (I)


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ARMNICOSLa 3 y la 5 armnica

LA 3 ARMNICA

- dos ondas senoidales.

La onda fundamental tiene una amplitud igual a de pico en el mismo instante.

frecuencia es mltiplo elctrico de la frecuenciafundamental, y tiene secuencia cero, por lo que -

mas adelante.

LA 5 ARMNICA

-mada con su correspondiente valor de pico, como

-nica, y ambas tiene su valor de pico en el mismo

instante.

primera armnica que afecta a los condensadores

Para RTR ENERGIA S.L. de determinar la correccin del factor de potencia en instalaciones industriales, puesto que los condensa-

La 3 armnica tiene una frecuencia

tres veces mayor (ptos. 1, 2 y 3)

La 5 armnica tiene una frecuenciacinco veces mayor (ptos. 1, 2, 3,4 y 5)

Onda deformada

Fundamental

3 armnica

1 23

Onda deformada

Fundamental

5 armnica

1 23 4 5


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ARMNICOS Compensacin de la energa reactiva

en redes distorsionadas por armnicos

En un circuito complejo similar al mostrado a continuacin, como el que se presenta de manera habitualen cualquier instalacin industrial, suelen aparecer diferentes tipos de cargas (lineales y no lineales)as como una batera de condensadores para la compensacin del factor de potencia de la instalacin.

TI

TI

1600 AMP

2500 AMP

1600 KVA 1600 KVA

2500 AMP

400V400V

20 KV 20 KV

80 KVAR/440V 80 KVAR/440V

1600 AMP

TI-SUMA (5+5/5)

1600 AMP

700 KVAR/440V 700 KVAR/440V 700 KVAR/440V

UN SOLO

REGULADOR

CARGA N4 CARGA N3 CARGA N2 CARGA N1

BATERIAS DE CONDENSADORES

efectuar un anlisis de la red elctrica con un analizador de red debidamente calibrado.

RTR Energa S.L.efecta este tipo anlisis de redes, con sus equipos debidamente calibrados, cuandosus clientes as lo requieren

Una vez efectuado el anlisis de la red, que debe durar aproximadamente 4-5 das procurando pasar la instalacin.

Uca Ica THDU THDI

realizar el anlisis durante un breve espacio de tiempo para decidir cual es la batera de condensadoresms adecuada para la instalacin.

A continuacin se muestran unos ejemplos.


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ARMNICOS

11.30 THDU

10.05 THDU

8.81 THDU

7.56 THDU

41.05 THDI

32.39 THDI

23.72 THDI

11.30

41.05

32.90

23.72

10.05

8.81

7.55

6.31

Espectro de distorsiones armnicas en tensin (THDU) y en intensidad (THD) obtenidas mediante unanalizador de redes. Puede observarse, como las distorsiones son muy elevadas, y como se ver msadelante, la solucin adoptada para la instalacin de la batera de condensadores para la compensacin

En un caso como este, se aprecia claramente la presencia de distorsiones armnicas aunque el anlisis dela red se realizara durante un breve periodo de tiempo; no as en el ejemplo que se analiza a continuacin.

24.37 THDI

21.94 THDI

19.52 THDI

2.98 THDU

2.75 THDU

2.52 THDU 17.09 THDI

2.98

24.37

21.94

19.52

17.09

14.66

2.75

2.52

2.30

En este caso, el espectro de distorsiones armnicas en tensin (THDU) y en intensidad (THD) se encuentraen los lmites admisibles. As podra optarse por la instalacin de una batera con condensadores reforzados

RTR Energa S.L. -


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ARMNICOS RESONANCIA

El fenmeno de resonancia se produce cuando XL=XCen un circuito donde hay colocados en serie oen paralelo cargas no lineales, condensadores, y cargas inductivas.

CL

CX

LX

C

L

=

=

=

1

1

La frecuencia para la cual los valores XLy XCse igualan, se denomina frecuencia de resonancia fR.

CLf

CLf

CL RRR

=

=

=

2

112

1

Las dos impedancias son funcin de la frecuencia (f), pero XLes directamente proporcional a la fre-cuencia y XCes inversamente proporcional a la frecuencia. Por lo tanto, cuando aumenta la frecuencia,aumenta XLy disminuye XC.

cX

L

f f

X

LR

LR

sR

sR

C

ZZ

L

= 1

2fC

2fL

FR

Por lo general en las instalaciones industriales loscondensadores estn situados en paralelo, comopuede observarse en el circuito equivalente quese muestra a la derecha.

corriente y ser XCel valor ms pequeo, la inten-sidad pasa principalmente por los condensadores,siendo esta la razn por la que fallan los con-densadores.

X

Batera de Distorsin

condensadores armnica

Transformador y

cargas reactivas

P activa

total

eq c p nR IX

RESONANCIA EN PARALELO

estn en fase. En el circuito (L-C) paralelo, cuando a una determinada frecuencia de resonancia (R= 150 Hz, frecuencia del 5 armnico) el circuito es inductivo ( R) la corriente esta retrasada conrespecto a la tensin, por el contrario si el circuito es capacitivo (> R) la corriente est adelantadacon respecto a la tensin.

L C resultado que la corriente resultante sea cero y la impedancia su valor mximo (al revs que sucedeen el circuito serie).

-siguiente peligro para el condensador, por tener la XCel valor ms bajo el todo el circuito.

Impedancia de una bobina no ideal Impedancia de un condensador no ideal


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ARMNICOS

Z

R R

U

C

red

tot

C

C

R

L

L

L

1

+=

1

OI

II

Por este motivo surge la necesidad de proteger los condensadores cuando estn instalados en paraleloen circuitos con un alto contenido de armnicos.

Cuando la instalacin industrial con alto contenido de armnicos posee transformador de potencia -mador instalados en la parte de baja estn protegidos igualmente de la presencia de armnicos (ver elapartado Gdel captulo de Compensacin de Energa Reactiva).

PROTECCIN DE LOS CONDENSADORES L-C) que tienen la norma UNE-EN-61642, como dato practico RTR Energa S.L.establece que en instalaciones con L-Cy

RTR Energa S.L., fabrica dos tipos de conden-sadores: Standardque soportan distorsiones ar- Reforzadosque

L1 2 n

L L

C1 2 n

C C

Regulador

automtico

Condensadores

RTR Energa

LCLC

distorsion armnicaen tensin


armnica en tensin



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ARMNICOS

-cin, generalmente el 5, bien sea de tensin o de corriente e impedir la resonancia paralelo entre lascargas inductivas L C; evitandoas la sobrecarga y posible destruccin de los condensadores de la batera autorregulada de compen-sacin de reactiva.

previamente, formado por:

una reactancia trifsica/monofsicaun condensador trifsico/monofsico de la potencia en kVAr que requiera la instalacin.

A esta situacin se llamarama de compensacin, cada rama debe estar dise-ada con su correspondiente proteccin.

LLL

CC

Filtros pasivos de rechazo

La distintas ramas (L-C -pleto que tiene como misin compensar el factor de potencia de la instalacin y cuya potencia total ser

la suma de las potencias de cada una de las ramas de.

CMO SE SELECCIONA UNA BATERADE CONDENSADORES (L C)

A partir del anlisis de la red donde se analizan losarmnicos que hay en la instalacin, se determinael armnico preponderante, por lo general es el5 armnico (250 Hz frecuencia). Una vez cono-cida la frecuencia del armnico, se establece la R), que nunca

debe coincidir con ningn mltiplo entero de la fre- inferior la frecuencia del armnico preponderante,de esta forma la resonancia con otro armnico esimposible.

La frecuencia de resonancia (R) se determina atravs del factor de sobretensin (p%) que esta-blece la relacin entre la tensin de la reactancia yla del condensador:

22

100100100(%)

=

=

=

resonancia

red

resonancia

red

L

LC

f

f

U

UU

p C

RTR Energa S.L., disea sus condensadores

- -sador a 440V instalado con una reactancia con un

THDU p(%) f red fresonancia

50 Hz 189 Hz

60 Hz

1450 Hz

60 Hz 160 Hz

R T S

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