PFC Days 16 - CFP y Armónicas

CFP en redes
con Armónicas.
Diseño de Filtros
Desintonizados
CFP Premium
2
Objetivos:
Corregir el Factor de Potencia
Evitar resonancia paralelo
Filtrar corrientes armónicas
CFP con Filtros Desintonizados
2
V
IL
I1
I5
0
Cargas no lineales
I7
π
2π
2
AC Current
Voltage
Current
LOAD
Armonicas generadas por un rectificador
2
Variadores de velocidad
Deformación de la tensión
y corriente fuertemente
distorcionada
Pulsos de conmutación pueden
interferir otras cargas sensibles
conectadas en paralelo.
Armónicas generadas por motor drives
2
100%
Voltage
Voltagecharacteristic
characteristic
at
the
drive
at the driveconverter
converter
output
(PWM)
output (PWM)
80%
6-pulse
12-pulse
60%
40%
20%
Current
Currentcharacteristic
characteristic
at
the
drive
at the driveconverter
converter
output
output
0%
6-pulse
1
5
100,00%
29,00%
9,00%
6,00%
3,50%
2,50%
2,00%
1,20%
1,10%
2,90%
0,90%
6,00%
3,50%
0,25%
0,20%
1,20%
1,10%
12-pulse 100,00%
7
11
13
17
19
23
25
Order number
Rectificadores 6 y 12 pulsos
2
Rectificador de 6 pulsos
2
Sobrecalentamiento de transformadores y motores
Sobrecarga de Neutro / tensiones Neutro-tierra
inaceptables
Fallas en bancos de capacitores
Actuación de interruptores y fusibles
Interferencia sobre equipos electrónicos sensibles
Registro erróneo de medidores de enregía
Energía desperdiciada / mayores costos de kW y kWH
Desperdicio de capacidad de distribución de energía
Mayores costos de mantenimiento de equipo de
distribución eléctrica y de maquinaria
Problemas causados por armónicas
2
H#
%
1 100.0
3
0.4
5
2.1
7
1.6
9
0.2
11
0.4
13
0.7
15
0.1
17
0.2
19
0.1
21
0.1
23
0.0
25
0.1
27
0.0
29
0.1
31
0.2
φ
0
116
272
41
133
11
36
68
37
69
327
69
301
158
319
20
K-f actor: 1.041
H#
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
Meter: 0001
H#
%
1 100.0
3
0.4
5
12.3
7
5.5
9
0.7
11
1.3
13
0.1
15
0.3
17
0.3
19
0.0
21
0.1
23
0.0
25
0.1
27
0.0
29
0.1
31
0.0
φ
0
29
53
356
299
7
210
29
285
210
90
210
29
29
29
29
%
0.0
0.1
0.0
0.0
0.0
0.0
0.1
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
φ
69
68
69
70
68
68
68
68
158
158
69
69
8
248
309
68
K-f actor: 1.533
H#
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
%
0.5
0.1
0.4
0.1
0.2
0.1
0.0
0.0
0.0
0.1
0.0
0.0
0.1
0.1
0.1
0.0
φ
100
119
66
91
29
29
29
119
29
90
29
119
29
119
119
209
V olts : 277
T.H.D.:
2.8%
Frequency:60.01 Hz
max:
2.9%
min: 0.5%
Meter: 0001
H#
%
1 100.0
3
0.5
5
18.8
7
1.2
9
0.0
11
0.1
13
0.0
15
0.1
17
0.0
19
0.0
21
0.1
23
0.0
25
0.1
27
0.1
29
0.0
31
0.1
A mps : 1716
T.H.D.: 13.6%
Frequency:60.01 Hz
max: 18.1%
min: 2.1%
Amplificación de armónicas
con CFP standard sin filtros.
φ
0
352
203
126
80
312
80
116
320
319
192
169
259
259
259
31
K-f actor: 1.829
H#
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
Meter: 0001
H#
%
1 100.0
3
1.0
5 150.0
7
8.7
9
1.5
11
1.6
13
1.7
15
1.2
17
0.5
19
1.0
21
1.5
23
1.2
25
0.5
27
0.9
29
0.7
31
0.6
φ
0
169
263
141
280
259
279
79
260
331
259
339
180
182
349
292
%
0.1
0.3
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
φ
26
31
259
259
200
259
80
200
169
259
259
349
259
349
259
79
K-f actor: 32.38
H#
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
%
2.3
2.9
3.8
1.2
1.5
0.8
0.5
1.1
0.3
0.5
0.5
0.1
0.6
0.3
0.2
0.0
φ
9
79
259
300
259
310
259
294
8
259
312
259
349
307
19
259
V olts: 290
T.H.D.: 18.8%
Frequency:59.97 Hz
max: 21.6%
min: 1.9%
Tensión
Meter: 0001
Con capacitores de CFP
A mps: 2033
T.H.D.: 89.5%
Frequency: 59.97 Hz
max: 152.3%
min: 3.6%
Corriente
Sin capacitores de CFP
2
Generador de tensión constante:
In
Z
Vn
Vn
In
In =
Vn
Z
Generador de corriente constante:
In
Z
Vn
In
Vn = Z . In
In
Generadores de tensión y corriente
2
Transformador y carga no lineal
I1+In
V1
V1+Vn
ZT
Trafo
ZL
In
Carga no lineal
Circuito eléctrico equivalente
2
L
IL IC
C
R
I
I
FAr = Q =
Qc . Pcc
P
Amplificación de corrientes
2
Scc =
S
. 100
Ucc%
Scc en transformadores de distribución
2
Las corrientes armónicas son generadas por las
cargas no lineales y circulan por toda la instalación.
Generando a la vez sobretensiones armónicas.
IZAOI (Ω)
A
Lsc
+
LT
Impedancia
sin
capacitores
In
O
cargas
f1
Redes con armónicas y bajo FP.
f5
Espectro de
corrientes
armónicas
existentes
f (Hz)
2
Al instalar capacitores para CFP, se forma un circuito
resonante paralelo que puede ser excitado por
corrientes armónicas existentes, creando alto riesgo
para todos los componentes de la instalación.
IZAOI (Ω)
A
Lsc
+
LT
Impedancia
con
capacitors
In
C
O
Impedancia
sin
capacitores
cargas
Vn = ZAOn In
Resonancia paralelo
f1
fp =
f5 fp
Espectro de corrientes
armónicas existentes
1
2π
( LSC+LT ) C
=
f (Hz)
1
2π
LT C
2
IZAOI (Ω)
Impedancia
con Filtro
Desintonizado
A
LT
LR
Impedancia
con
capacitores
Impedancia
sin
capacitores
In
C
O
cargas
f1
fp
fs f
5
Espectro de corrientes
armónicas existentes
f (Hz)
Vn = ZAOn . In
Nueva fp =
1
2π
( LT+LR ) C
Filtros desintonizados
np=
Ssc
Qc
2
Resonancia Paralelo – Análisis de Riesgo
Ejemplo Trafo S = 1250 kVA Ucc%= 5%
Qc =
Scc
n2
Qc =
Scc
n2
Qc =
Scc
n2
5
nr=
Scc
Qc
7
11
Scc=25000 kVA
=
25000
52
=
1000 kVAr
=
25000
72
=
510 kVAr
=
25000
112
=
207 kVAr
Con estos valores de Qc , y especialmente con baja carga,
si hay corrientes armónicas de estas frecuencias hay riesgo
de sobretensión y sobrecorrientes por resonancia paralelo.
Análisis de riesgo de resonancia
2
EJEMPLO: Trafo S = 1250 kVA Ucc%= 5%
P = 600 kW FP=0.70
nr =
FAr =
0.98 => Qc = 0.82 . 600 kW = 500 kVAr
Scc
=
Qc
Qc . Scc
P
Scc=25000 kVA
25000 kVA
= 7° armónica
500 kVAr
=
500 kVAr . 25000 KVA
600 kW
Resonancia paralelo - Ejemplo
= 6 veces
2
TRAFO: S = 1250 kVA Ucc%= 5%
V=400V In=1800A Scc=25000KVA
CARGA: P = 600 kW FP=0.70
857 KVA I1 = 1238 A
Suponiendo que además hay 100 A de 7°armónica, será:
Itrms=
12382 + 1002 = 1242 A
IL
V1
THDI = 100 = 8%
1238
I7
Itrms
Resonancia paralelo - Ejemplo
I7 = 100 A
2
Corrigiendo con 500KVAR Ic = 722 A da resonancia en 7°
P = 600 kW FP=0.98
612 KVA I1 = 884 A
FAr =
Qc . Scc
P
Itrms=
8842 + 6002
= 1068 A
I1
IL
500 kVAr . 25000 KVA
600 kW
=
6xI7
= 6 veces
THDI = 600 = 68%
1238
I7
I7
V1
Itrms
6xI7
IC
IL
Resonancia paralelo - Ejemplo
I7
2
500KVAR Ic = 722 A
Además causa resonancia en 7°amplificándola 6 veces
FAr =
Qc . Scc
P
Icrms=
7222 + 6002
I1
500 kVAr . 25000 KVA
600 kW
=
= 939 A
IL
6xI7
THDIc = 600 = 83%
722
I7
I7
V1
Itrms
6xI7
IC
= 6 veces
IL
I7
Sobrecarga
del capacitor
Icrms 939 A = 1.3
=
Ic
722 A
Resonancia paralelo - Ejemplo
2
Sin capacitores:
Itrms=
FP = 0.70
12382 + 1002 = 1242 A
Con capacitores en resonancia:
THDI = 100 = 8%
1238
FP = 0.98
Itrms=
8842 + 6002
= 1068 A
THDI = 600 = 68%
1238
Icrms=
7222 + 6002
= 939 A
THDIc = 600 = 83%
722
Icrms
= 939 A = 1.3
Ic
722 A
Resonancia paralelo - Ejemplo
2
Generación de tensiones armónicas
In
Zn
Vn
Vn = Zn . In
In
THDV =
Tensiones armónicas
Vn
V1
2
Z7 = 0.06 Ω
V7 = 0.06 Ω . 100 A = 6 V
Z3 = 0.03 Ω
Z5 = 0.045 Ω
THDV sin capacitores
THDV = 6 = 1.5 %
400
2
Z7 = 0.12 Ω
V7 = 0.12 Ω . 100 A = 12 V
Z3 = 0.04 Ω
Z5 = 0.08 Ω
THDV con 500KVAR solos
THDV = 12 = 3 %
400
2
Z7 = 0.04 Ω
Z3 = 0.04 Ω
V7 = 0.04 Ω . 100 A = 4 V
Z5 = 0.025 Ω
THDV = 4 = 1 %
400
THDV con 500KVAR desintonizados 7%
2
Z7 = 0.035 Ω V7 = 0.035 Ω . 100 A = 3.5 V
Z3 = 0.04 Ω
Z5 = 0.015 Ω
THDV = 3.5 = 0.85 %
400
THDV con 500KVAR desintonizados 5.67%
2
Z7 = 0.05 Ω
Z3 = 0.02 Ω
V7 = 0.05 Ω . 100 A = 5 V
Z5 = 0.035 Ω
THDV =
5 = 1.25 %
400
THDV con 500KVAR desintonizados 14%
2
En edificios comerciales,
generalmente la 3° armónica es la
dominante debido a la iluminación,
a las computadoras y a las cargas
monofásicas.
En plantas industriales,
generalmente la 5°armónica es la
dominante debido al control de
cargas de potencia trifásicas.
Cual es la armónica dominante ?
2
2 MVA
415 V
DC Drives
980 Kw
800 Kvar
Corriente
Sin
Con
Armónica Capacitor Capacitor
Con
Filtro D
1
1200 A
740 A
740 A
5
265 A
668 A
235 A
7
70 A
78A
60 A
11
50 A
57 A
42 A
THD-V
5.12 %
10.14 %
4.5 %
FP
0.617 %
0.95 %
0.95 %
Comparación de tecnologías de CFP
2
Criterio para uso de filtros desintonizados
Medir siempre en el interruptor principal las THDs sin capacitores (sc)
Usar CFP standard, verificar resonancia y considerar Vcap > Vreal.
Usar CFP desintonizada de acuerdo a la armónica dominante:
Si es la 3ra armónica usar p=14%
Si es la 5ta armónica o superior usar p=7%
Usar CFP sintonizada a la armónica dominante
Necesidad de filtrar armónicas
2
Se selecciona de acuerdo a la potencia efectiva a 50/60Hz
y a la primera armónica predominante a filtrar o bloquear.
Para filtrar
p
50Hz
60Hz
3°Armónica
14%
134Hz
161Hz
5°Armónica
7%
189Hz
252Hz
p = 7% absorbe controladamente 5°armónica hasta un 35%
p = 14% solo bloquea el paso desde 3°armónica por los capacitores.
Selección del Factor de Desintonia
2
Tensiones standard: 400-440-480V-50/60Hz
Potencias standard: 25-27-50-54-75-100 kVAr
Desintonías standard: 7–14 %
Pérdidas muy bajas.
Alta linealidad.
Incluyen protección térmica.
Reactores para CFP Desintonizada
2
Máximas THDVs de los reactores
2
Corrección del Factor de Potencia
Reducción de armónicas
Reducción de pérdidas ohmicas, ahorro real de energía kWh
Eliminación de regargos por bajo Factor de Potencia
Mejoramiento de la calidad de energía
Protección del medio ambiente y ahorro de RNNR
Reducción de inversiones en equipos de distribución eléctrica
(transformadores, tableros y líneas de distribución)
Reducción de costos de mantenimiento y pédidas de
producción por paradas inesperadas.
Mejoramiento de la estabilidad de los procesos productivos.
Beneficios de la CFP Desintonizada
2
Ejemplo de cálculo Qe = 25 kVAr - 400V - 50Hz - 7 %
El inductor se selecciona por la potencia efectiva en 400V y para p=7%
y por lo tanto será un reactor de 25kVAr-400V-50Hz-7%
Aunque la red es de 400V, por la desintonia la tensión sobre el capacitor será:
UC = UN .
100 = 400 V . 100 = 430 V
100-p
100-7
se debe usar un cap. de 440 V
Cálculo de la potencia nominal del capacitor Qc, especificada para UC = 440V,
para obtener una potencia efectiva de 25 kVAr en 400V con con reactor con p=7%
Qc = 1 -
p . UC
UN
100
2
. Qe =
2
1 - 7 . 440 . 25 kVAr = 28 kVAr (440V-50Hz)
100 400
Cálculo de un filtro desintonizado
2
KIT para
25 kVAr - 400V - 50Hz - 7 %
Compuesto por:
1 reactor 25kVAr-400V-50Hz-7%
1 PhiCap 28kVAr-440V-50Hz
1 Contactor Imax=36A
3 fusibles NH-63A
B44066D7025x400
B32344D4282A040
B44066S3210J230
NOTAS: También se puede usar el modelo PhaseCap B25667B4467A375.
Un capacitor de 28kVAr-440V-50Hz cuando es usado sin reactor en serie:
- a 415V entrega = 25kVAr
- a 400V entrega = 23kVAr
KIT para 400V-50Hz
2
Ejemplo de cálculo Qe = 50 kVAr - 400V - 50Hz - 7 %
El inductor se selecciona por la potencia efectiva en 400V y para p=7%
y por lo tanto será un reactor de 50kVAr-400V-50Hz-7%
Aunque la red es de 400V, por la desintonia la tensión sobre el capacitor será:
UC = UN .
100 = 400 V . 100 = 430 V
100-p
100-7
se debe usar un cap. de 440 V
Cálculo de la potencia nominal del capacitor Qc, especificada para UC = 440V,
para obtener una potencia efectiva de 50 kVAr en 400V con con reactor con p=7%
Qc = 1 -
p . UC
UN
100
2
. Qe =
2
1 - 7 . 440 . 50 kVAr = 56 kVAr (440V-50Hz)
100 400
Cálculo de un filtro desintonizado
2
KIT para
50 kVAr - 400V - 50Hz - 7 %
Compuesto por:
1 reactor 50kVAr-400V-50Hz-7%
2 PhiCap 28kVAr-440V-50Hz
1 Contactor Imax=72A
3 fusibles NH-125A
B44066D7050x400
B32344D4282A040
B44066S6210J230
NOTAS: También se puede usar el modelo PhaseCap B25667B4467A375.
Un capacitor de 28kVAr-440V-50Hz cuando es usado sin reactor en serie:
- a 415V entrega = 25kVAr
- a 400V entrega = 23kVAr
KIT para 400V-50Hz
2
Componentes para Filtros Desintonizados
- Los componentes son seleccionados de acuerdo a:
• Potencia efectiva deseada
• Contenido armónico de la carga
• Factor de desintonia elegido
• Sobretensión en los capacitores
- Tener especial cuidado con:
• análisis previo, diseño de aplicación
• diseño de panel
• ventilación forzada 2.5 m3/h por KVAR
Filtros desintonizados
2
Construcción de Filtro Desintonizado
Capacitores preferentemente
montados en posición horizontal,
en bandeja sin conducción térmica
al reactor y en distinta línea vertical.
Reactor montado sobre perfiles
para permitir circulación de aire
entre los núcleos.
Ventilación forzada abundante.
Termo-switch en serie con el
circuito
de comando del contactor.
CFP-FD Recomendaciones
2