CFP en redes con Armónicas. Diseño de Filtros Desintonizados Presentación Técnica EPCOS do Brasil Marketing CFP Latino América Objetivos de la CFP Desintonizada Corregir el Factor de Potencia en redes con armónicas Evitar resonancia paralelo y la amplificación de armónicas Filtrar parcialmente la 5° armónica EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Cargas no lineales V IL I1 I5 0 I7 p 2p EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Armónicas generadas por un rectificador tensión corriente CARGA EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Armónicas generadas por variadores de velocidad Deformación de la tensión y corriente fuertemente distorcionada Pulsos de conmutación pueden interferir otras cargas sensibles conectadas en paralelo. EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Armónicas generadas por rectificadores 6/12 pulsos Tensión característica a la salida del convertidor del drive (PWM) 100% 80% 6-pulse 12-pulse 60% 40% 20% Corriente característica a la salida del convertidor del drive 0% 6-pulse 1 5 7 11 13 17 19 23 25 100,00% 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% Order number EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Rectificador variable de 6 pulsos EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Problemas causados por las armónicas 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 energía 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 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Amplificación de armónicas con CFP standard sin filtro. H# % 1 100.0 0 3 0.4 116 5 2.1 272 7 1.6 41 9 0.2 133 11 0.4 11 13 0.7 36 15 0.1 68 17 0.2 37 19 0.1 69 21 0.1 327 23 0.0 69 25 0.1 301 27 0.0 158 29 0.1 319 31 0.2 20 K-factor: 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 0 3 0.4 29 5 12.3 53 7 5.5 356 9 0.7 299 11 1.3 7 13 0.1 210 15 0.3 29 17 0.3 285 19 0.0 210 21 0.1 90 23 0.0 210 25 0.1 29 27 0.0 29 29 0.1 29 31 0.0 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 69 68 69 70 68 68 68 68 158 158 69 69 8 248 309 68 K-factor: 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 0.0 100 119 66 91 29 29 29 119 29 90 29 119 29 119 119 209 Volts : 277 T.H.D.: 2.8% Frequency:60.01 Hz max: 2.9% min: 0.5% Meter: 0001 H# % 1 100.0 0 3 0.5 352 5 18.8 203 7 1.2 126 9 0.0 80 11 0.1 312 13 0.0 80 15 0.1 116 17 0.0 320 19 0.0 319 21 0.1 192 23 0.0 169 25 0.1 259 27 0.1 259 29 0.0 259 31 0.1 31 Amps : 1716 T.H.D.: 13.6% Frequency:60.01 Hz max: 18.1% min: 2.1% K-factor: 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 0 3 1.0 169 5 150.0 263 7 8.7 141 9 1.5 280 11 1.6 259 13 1.7 279 15 1.2 79 17 0.5 260 19 1.0 331 21 1.5 259 23 1.2 339 25 0.5 180 27 0.9 182 29 0.7 349 31 0.6 292 % 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 26 31 259 259 200 259 80 200 169 259 259 349 259 349 259 79 K-factor: 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 9 79 259 300 259 310 259 294 8 259 312 259 349 307 19 259 Volts: 290 T.H.D.: 18.8% Frequency:59.97 Hz max: 21.6% min: 1.9% Tensión Meter: 0001 Con capacitores de CFP Amps: 2033 T.H.D.: 89.5% Frequency: 59.97 Hz max: 152.3% min: 3.6% Corriente Sin capacitores de CFP EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Generadores de tensión y corriente Generador de tensión constante: I1 Z V1 V1 I1 V1 I1 = Z Generador de corriente constante: In Z Vn In Vn = Z . In In EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Trafo y carga no lineal generando corriente armónica I1+In V1 V1+Vn ZL In ZT Trafo Carga no lineal EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Factor de Amplificación por Resonancia L IL IC C R I I FAR= Q = Qc . Pcc P EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Scc en transformadores de distribución Scc = S . 100 Ucc% EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Redes con armónicas y bajo FP. Las corrientes armónicas son generadas por las cargas no lineales, circulan sobrecargando toda la instalación y generando sobretensiones armónicas. IZAOI (W) A LT Impedancia sin capacitores In O cargas f1 f5 Espectro de corrientes armónicas existentes f (Hz) EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Resonancia paralelo entre trafo y capacitores 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 (W) A LT Impedancia sin capacitores Impedancia con capacitors C O In cargas f1 f5 fp Espectro de corrientes armónicas existentes 1 Vn = ZAOn In fp = 2p LT C np= f (Hz) Ssc Qc EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Agregado de reactor para formar filtro desintonizado IZAOI (W) Impedancia con Filtro Desintonizado A LT LR Impedancia sin capacitores Impedancia con capacitores In C Z5 O cargas f1 fp fs f 5 Espectro de corrientes armónicas existentes f (Hz) 1 Vn = ZAOn . In Nueva fp = 2p ( LT+LR ) C 1 Nueva fs = 2p LR . C EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Ejemplo de análisis de riesgo de resonancia Supongamos trafo con S = 1250 kVA Ucc%= 5% Scc=25000 kVA Probamos para los diferentes órdenes de corrientes armónicas que sabemos existentes, que valores de KVAR pueden causar resonancia paralelo Qc = Scc n2 Qc = Scc n2 = 25000 72 Qc = Scc n2 = 25000 112 5 nr= Scc Qc 7 11 = 25000 52 = 1000 kVAr = 510 kVAr = 207 kVAr Con estos valores de KVAR, si hay corrientes armónicas de estos órdenes generadas por cargas no lineales de la instalacón, hay riesgo de sobretensión y sobrecorrientes significativas por resonancia paralelo. EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Ejemplo de Resonancia paralelo Trafo S = 1250 kVA Ucc%= 5% Scc=25000 kVA P = 600 kW FP=0.70 …. e se quer elevar a FP=0.98 Qc=(Tg φ1 - Tg φ2) P ; Arcos φ1 =0,7 (45,57) ; Tg φ1=1,02 Qc=(Tg φ1 - Tg φ2) P ; Arcos φ2 =0,98 (11,5) ; Tg φ2=0,2 Qc=(Tg φ1 - Tg φ2) P ; Qc= (1,02-0,2) 600KW = 500 Kvar Fator de correção = 0,82 La potencia capacitiva requerida será Qc = 0.82 . 600 kW = 500 kVAr Que corriente armónica podría hacer resonar el trafo con 500 kVAr ? Scc 25000 kVA nr = 500 kVAr = 7° armónica Qc = FAr = Qc . Scc P = 500 kVAr . 25000 KVA 600 kW = 6 veces 6 veces si amplificará la 7° armónica EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Resonancia paralelo - Ejemplo In= S trafo / 1,73 * V nominal TRAFO: S = 1250 kVA Ucc%= 5% V=400V In=1800A Scc=25000KVA CARGA: P = 600 kW FP=0.70 857 KVA I1 = 1238 A FP= KW /KVA ; FP= P/S; 0,7 = 600 KW / S; S=857KVA I1= S carga / 1,73 * V nominal Suponiendo que además hay 100 A de 7° armónica, será: Itrms= THDI = 100 = 8% 12382 + 1002 = 1242 A IL V1 Itrms I7 1238 I7 = 100 A EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Resonancia paralelo - Ejemplo Corregiendo con 500KVAR Ic = 722 A da resonância en 7° Ic = (S banco /1,73) / Vn; Ic=(500 kvar/1,73)/ 400V= 722 A Pcarga = 600 kW FP=0.98 612 KVA I1 = 884 A FP= KW /KVA ; FP= P/S I1= S banco / 1,73 * V nominal FAr = Qc . Scc P Itrms= 8842 + 6002 = 1068 A I1 IL 500 kVAr . 25000 KVA 600 kW = 6xI7 = 6 vezes THDI = 600 = 68% 1238 I7 I7 V1 Itrms 6xI7 IC IL I7 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Resonancia paralelo - Ejemplo 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 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Resonancia paralelo - Ejemplo 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 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Aparición de Tensiones armónicas In Vn = Zn . In Zn Vn In THDV = Vn V1 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 THDV sin capacitores Z7 = 0.06 W V7 = 0.06 W . 100 A = 6 V Z3 = 0.03 W Z5 = 0.045 W THDV = 6 = 1.5 % 400 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 THDV con 500KVAR solos Z7 = 0.12 W V7 = 0.12 W . 100 A = 12 V Z3 = 0.04 W Z5 = 0.08 W THDV = 12 = 3 % 400 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 THDV con 500KVAR con filtro desintonizado 7% Z7 = 0.04 W Z3 = 0.04 W V7 = 0.04 W . 100 A = 4 V Z5 = 0.025 W THDV = 4 = 1 % 400 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 THDV con 500KVAR con filtro desintonizado 5.67% Z7 = 0.035 W V7 = 0.035 W . 100 A = 3.5 V Z3 = 0.04 W Z5 = 0.015 W THDV = 3.5 = 0.85 % 400 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 THDV con 500KVAR con filtro desintonizado 14% Z7 = 0.05 W Z3 = 0.02 W V7 = 0.05 W . 100 A = 5 V Z5 = 0.035 W THDV = 5 = 1.25 % 400 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Cual es la armónica dominante ? 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. EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Comparación de tecnologías de CFP 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 % EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Criterio para uso de filtros desintonizados Medir siempre en el interruptor principal las THDs sin capacitores (sc) - si THDVsc < 3% y THDIsc < 10% Usar CFP standard, verificar resonancia y considerar Vcap > Vreal. - si 3% < THDVsc < 5% ó 10% < THDIsc < 30% 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% - si THDVsc > 5% ó THDIsc > 30% Usar CFP desintonizada con diseño especial o sintonizada local EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Selección del Factor de Desintonia correcto Se selecciona de acuerdo a la potencia capacitiva, en KVAR, necesaria para corregir el FP hasta el valor deseado a 50/60Hz, y teniendo en cuenta la armónica predominante de menor orden. Si es la 5° o superior, se podrá filtrar parcialmente solo la 5° armónica. Si es la 3°, solo se podrá bloquear el paso de todas las corrientes armónicas a través de los capacitores y asi al menos no amplificarlas, pero tampoco habrá efecto de filtrado. predominante Factor de desintonia fs p/50Hz fs p/60Hz 3° Armónica 14% 134Hz 161Hz 5° Armónica 7% 189Hz 252Hz función del filtro bloquea todas absorbe parcialmente 5° EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Reactores de Filtro para PFC Desintonizada Tensiones standard: 400-480V -50/60Hz Potencias standard: 25-27-50-54-75-100 kVAr Desintonías: 7–14 % Pérdidas muy bajas. Alta linealidad. Incluyen protección térmica. EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Máximas THDVs admisibles por los reactores EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Beneficios de la CFP Desintonizada 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. EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Cálculo de un filtro desintonizado Ejemplo Qe = 27 kVAr-480V-60Hz-7 % El inductor se selecciona por la potencia efectiva en 480V y para p=7% y por lo tanto será un reactor de 27kVAr-480V-60Hz-7% Aunque la red es de 480V, por la desintonia la tensión sobre el capacitor será: UC = UN . 100 100-p = 480 V . 100 = 516 V 100-7 se debe usar un cap. de 525 V Cálculo de la potencia nominal del capacitor Qc, especificada para UC = 525V, para obtener una potencia efectiva de 27 kVAr en 480V con con reactor con p=7% Qc = 1 - p . UC UN 100 2 . Qe = 2 1 - 7 . 525 . 27 kVAr = 30 kVAr (525V-60Hz) 100 480 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 KIT para 5° armónica 480V-60Hz KIT para 27 kVAr - 480V - 60Hz - 7 % KIT para 25 kVAr - 460V - 60Hz - 7 % KIT para 22.5 kVAr - 440V - 60Hz - 7 % Compuesto por: 1 reactor 27kVAr-480V-60Hz-7% 1 PhiCap 30kVAr-525V-60Hz 1 Contactor Imax=36A 3 fusibles NH-50A B44066D7027M481 B32344D5252A020 B44066S3210Jxxx NOTAS: También se puede usar el modelo PhaseCap B25667B5287A375. Un capacitor de 30kVAr-525V-60Hz cuando es usado sin reactor en serie: - a 480V entrega = 25kVAr - a 460V entrega = 23kVAr - a 440V entrega = 21kVAr EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Cálculo de un filtro desintonizado Ejemplo Qe = 54 kVAr-480V-60Hz-7 % El inductor se selecciona por la potencia efectiva en 480V y para p=7% y por lo tanto será un reactor de 54kVAr-480V-60Hz-7% Aunque la red es de 480V, por la desintonia la tensión sobre el capacitor será: UC = UN . 100 100-p = 480 V . 100 = 516 V 100-7 se debe usar un cap. de 525 V Cálculo de la potencia nominal del capacitor Qc, especificada para UC = 525V, para obtener una potencia efectiva de 54 kVAr en 480V con con reactor con p=7% Qc = 1 - p . UC UN 100 2 . Qe = 2 1 - 7 . 525 . 54 kVAr = 60 kVAr (525V-60Hz) 100 480 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 KIT para 5° armónica 480V-60Hz KIT para KIT para KIT para 54 kVAr - 480V - 60Hz - 7 % 50 kVAr - 460V - 60Hz - 7 % 45 kVAr - 440V - 60Hz - 7 % Compuesto por: 1 reactor 54kVAr-480V-60Hz-7% 2 PhiCap 30kVAr-525V-60Hz 1 Contactor Imax=72A 3 fusibles NH-100A B44066D7054M481 B32344D5252A020 B44066S6210Jxxx NOTAS: También se puede usar el modelo PhaseCap B25667B5287A375. Un capacitor de 30kVAr-525V-60Hz cuando es usado sin reactor en serie: - a 480V entrega = 25kVAr - a 460V entrega = 23kVAr - a 440V entrega = 21kVAr EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Cálculo de un filtro desintonizado Ejemplo 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 . 100 100-p = 400 V . 100 = 430 V 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 reactor de p=7% Qc = 1 - p . UC UN 100 2 . Qe = 2 1 - 7 . 440 . 25 kVAr = 28 kVAr (440V-50Hz) 100 400 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 KIT para 5° armónica 400V-50Hz 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 B44066D7025M400 B32344E4282A040 B44066S3210J230 NOTAS: También se puede usar el modelo PhaseCap B25667C4467A375. Un capacitor de 28kVAr-440V-50Hz cuando es usado sin reactor en serie: - a 415V entrega = 25kVAr - a 400V entrega = 23kVAr EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 Cálculo de un filtro desintonizado Ejemplo 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 . 100 100-p = 400 V . 100 = 430 V 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 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 KIT para 5° armónica 400V-50Hz 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 B44066D7050M400 B32344E4282A040 B44066S2210J230 NOTAS: También se puede usar el modelo PhaseCap B25667C4467A375. Un capacitor de 28kVAr-440V-50Hz cuando es usado sin reactor en serie: - a 415V entrega = 25kVAr - a 400V entrega = 23kVAr EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 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 EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 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. EPCOS CFP Latino América Lima, Perú – Mayo 2012 www.epcos.com/pfc