Eliminación de armónicos en instalaciones

Eliminación de armónicos en instalaciones
Índice
Armónicos ....................................................................... 2
Definición, origen y tipos de armónicos ................................................2
Valores armónicos característicos........................................................5
Efectos de los armónicos .....................................................................7
Eliminación de armónicos .............................................. 12
Estrategias frente a los armónicos .......................................................12
Aceptación de los armónicos................................................................12
Soluciones de Schneider Electric para eliminar los armónicos ............13
AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos ..................... 14
Procedimiento para implementar el acondicionamiento activo .............20
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Armónicos (cont.)
Definición, origen y
tipos de armónicos
Armónicos
Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales con una frecuencia que es
un múltiplo entero (k) de la frecuencia del sistema de distribución, denominada
frecuencia fundamental (50 o 60 Hz).
Cuando los armónicos se combinan con la corriente o la tensión fundamental
sinusoidal respectivamente, distorsionan la forma de onda de la corriente o la
tensión (consultar Fig. 3.1).
Los armónicos se identifican generalmente como Hk, donde la k es el orden de los
armónicos.
• IHk o UHk indican el tipo de armónico (corriente o tensión).
• IH1 o UH1 designan la corriente o la tensión sinusoidal a 50 o 60 Hz cuando no
hay armónicos (corriente o tensión fundamental).
H1 (50 Hz)
H3 (150 Hz)
H1 + H3
Fig. 3.1. Distorsión de H1 (fundamental) en H3 (armónico de tercer orden).
Las cargas no lineales como causa
Los equipos que cuentan con electrónica de potencia son la principal causa de los
armónicos. Para alimentar la electrónica con potencia en CC, el equipo cuenta con
una fuente de alimentación conmutada con un rectificador en la entrada que obtiene
las corrientes armónicas.
Algunos ejemplos son los ordenadores, los motores de velocidad variable, etc.
Otras cargas distorsionan la corriente debido a su principio operativo y también
producen armónicos.
Algunos ejemplos son los fluorescentes, las lámparas de descarga, las máquinas
soldadoras y los dispositivos de núcleo magnético que se pueden saturar.
)Todas las cargas que distorsionan la corriente sinusoidal normal producen
armónicos y se denominan cargas no lineales.
PC
Motor de velocidad variable
Lámpara fluorescente
Fig. 3.2. Ejemplos de cargas no lineales que producen armónicos.
Cargas lineales y no lineales
La alimentación de la red eléctrica proporciona 50/60 Hz de tensión sinusoidal a las
cargas. La forma de onda de la tensión proporcionada por la fuente como respuesta
a las necesidades de carga depende del tipo de carga.
Cargas lineales
La corriente que se obtiene es sinusoidal con la misma frecuencia que la tensión. La
corriente puede estar desplazada (ángulo ϕ) con respecto a la tensión.
• La ley de Ohm define una relación lineal entre la tensión y la corriente (U = ZI) con
un coeficiente constante, la impedancia de la carga. La relación entre la corriente y
la tensión es lineal.
Algunos ejemplos son las bombillas estándar, los calefactores, las cargas resistivas,
los motores o los transformadores.
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Armónicos (cont.)
• Este tipo de carga no contiene componentes electrónicos activos, sino únicamente
resistencias (R), inductores (L) y condensadores (C).
Cargas no lineales
• La corriente consumida por la carga es periódica, pero no sinusoidal. La forma de
onda de la corriente queda distorsionada por la corriente de los armónicos.
• La ley de Ohm que define la relación entre la corriente y la tensión total (1) ya no
es válida porque la impedancia de la carga varía más de un periodo (consultar Fig.
3.3). La relación entre la corriente y la tensión no es lineal.
• La corriente consumida por la carga es, de hecho, la combinación de:
- Una corriente sinusoidal denominada fundamental, a una frecuencia de 50 o 60
Hz.
- Armónicos, que son corrientes sinusoidales de una amplitud inferior a la de la
fundamental, pero cuya frecuencia es un múltiplo de la fundamental que define el
orden del armónico [por ejemplo, el armónico de tercer orden tiene una frecuencia
de 3 x 50 Hz (o 60 Hz)].
(1) La ley de Ohm se aplica a cada tensión y corriente del mismo orden armónico, Uk = Zk Ik,
donde Zk es la impedancia de carga para un orden específico, pero ya no es válida para la
corriente y la tensión total.
Î Cargas lineales, cargas no lineales, ver cap. 1 pág. 11 "Calidad de alimentación
con SAI".
Un ejemplo son las cargas RCD (resistencia,
condensador, diodo) que se encuentran en la
mayoría de las fuentes de alimentación que se
utilizan en dispositivos electrónicos.
● El condensador C, en ciertas condiciones de
estado estable, solo se carga cuando la
tensión de línea instantánea es superior a la
tensión de sus terminales.
● A partir de ese punto, la impedancia de
carga es baja (diodo activado). Antes, la
impedancia era alta (diodo desactivado).
● Por tanto, la impedancia de una carga no
lineal varía en función de la tensión de sus
terminales.
● La impedancia no es constante y la tensión
y la corriente ya no son sinusoidales.
● La forma de la corriente es más compleja y
se puede representar, utilizando el teorema de
Fourier, añadiendo:
- Una corriente con la misma frecuencia f que
la tensión, denominada fundamental.
- Otras corrientes con las frecuencias kf (k es
un número entero > 1) denominadas
armónicas.
● La figura muestra una idea general de la
corriente de carga con solo dos órdenes de
armónicos, IH3 e IH5.
Fig. 3.3. Tensión y corriente para cargas no lineales
Tipos de armónicos y aspectos específicos de los
armónicos de secuencia cero
Tipos de armónicos
Las cargas no lineales causan tres tipos de corrientes armónicas, todas en órdenes
impares (porque la sinusoidal es una función "impar").
• Armónicos H7 - H13 - …. : secuencia positiva.
• Armónicos H5 - H11 - …. : secuencia negativa.
• Armónicos H3 - H9 - …. : secuencia cero.
Aspectos específicos de los armónicos de secuencia cero (H3 y
múltiplos)
Las corrientes de armónicos de secuencia cero [H3 y múltiplos impares, escritos
como 3(2k+1) donde k es un entero] en sistemas trifásicos se añaden en el
conductor neutro.
Esto se debe a que su orden 3(2k+1) es un múltiplo del número de fases (3), lo cual
significa que coinciden con el desplazamiento (un tercio de un periodo) de las
corrientes de fase.
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Armónicos (cont.)
La Figura 3.4 ilustra este fenómeno en un periodo. La corriente de las tres fases se
desplaza un tercio de un periodo (T/3), es decir, los armónicos IH3 respectivos están
en la fase y se añaden los valores instantáneos. En consecuencia:
• Cuando no hay armónicos, la corriente del neutro es igual a cero:
IN = I1+I2+I3 = 0
• Cuando hay armónicos, la corriente del neutro es igual a:
I1 + I2 + I3 = 3 IH3 .
Por tanto, debe prestarse especial atención a este tipo de armónicos en las
instalaciones con un neutro distribuido (aplicaciones de infraestructuras y
comerciales).
Fig. 3.4. Los armónicos de tercer orden y sus múltiplos se añaden en el neutro.
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Armónicos (cont.)
Fig. 3.5. Cuando hay armónicos H3 y sus múltiplos impares, la corriente del neutro ya no es
igual a cero, sino la suma de los armónicos de secuencia cero.
Valores armónicos
característicos
Consultar WP
17 Î
El análisis armónico de una corriente no lineal consiste en determinar:
• Los órdenes de los armónicos presentes en la corriente.
• La importancia relativa de cada orden armónico.
Abajo se detallan algunos valores armónicos característicos y relaciones
fundamentales que se utilizan en el análisis de armónicos.
Î Para más información sobre los armónicos, ver cap. 5 y las explicaciones del
Documento Técnico WP 17 "Understanding Power Factor, Crest Factor and Surge
Factor" ("Comprensión del factor de potencia, el factor de cresta y el factor de
sobretensión").
Valor eficaz de los armónicos
Es posible medir el valor eficaz de cada orden de armónicos porque las diferentes
corrientes armónicas son sinusoidales, pero con diferentes frecuencias que son
múltiplos de la frecuencia fundamental.
• IH1 es el componente fundamental (50 o 60 Hz).
• IHk es el componente armónico en el que k es el orden de armónicos (k veces 50
o 60 Hz).
El análisis de los armónicos se utiliza para determinar los valores.
Corriente eficaz total
Irms = IH12 + IH22 + IH3 2 + ... + IHk 2 + ...
Armónicos individuales
Cada armónico se expresa como porcentaje, es decir la proporción de su valor
eficaz con respecto al valor eficaz del fundamental. Esta proporción es el nivel del
armónico individual.
IH
100 k
IH1
Hk% = distorsión del armónico k =
Distorsión armónica de tensión y corriente
Las cargas no lineales generan armónicos tanto de tensión como de corriente. Esto
se debe a que, para cada armónico de corriente de carga, hay un armónico de
tensión de alimentación con la misma frecuencia. Como consecuencia, los
armónicos también distorsionan la tensión.
La distorsión de una onda sinusoidal se presenta en forma de porcentaje:
rms value of all harmonics
THD* % = distorsión total = 100 rms value of fundamental
* Distorsión armónica total (THD).
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Armónicos (cont.)
Se definen los siguientes valores:
• TDHU % para la tensión, basada en los armónicos de tensión.
• TDHI % para la corriente, basada en los armónicos de corriente.
El valor de THDI (o de THDU con valores UHk) se mide con la siguiente ecuación:
THDI % = 100
IH22 + IH3 2 + IH4 2 + ... + Hk 2 + ...
IH1
Factor de cresta
El factor de cresta (Fc), utilizado para caracterizar la forma de la señal (corriente o
tensión), es la proporción entre el valor pico y el valor eficaz.
peak value
Fc =
rms value
A continuación se indican los valores típicos para diferentes cargas:
• Carga lineal: Fc = 2 = 1,414
• Estructura principal: Fc = de 2 a 2,5
• Microordenadores: Fc = de 2 a 3
Espectro de la corriente armónica
La definición del espectro de una corriente armónica consiste en determinar la forma
de onda de la corriente y los armónicos individuales, así como ciertos valores como
el THDI y el Fc.
Armónicos individuales
H5 = 33%
H7 = 2,7%
H11 = 7,3%
H13 = 1,6%
H17 = 2,6%
H19 = 1,1%
H23 = 1,5%
H25 = 1,3%
THDI = 35%
Fc = 1,45
Corriente de entrada de un rectificador
Espectro armónico y THDI correspondiente.
trifásico.
Fig. 3.6. Espectro armónico de la corriente producida por una carga no lineal.
Factor de potencia
Factor de potencia
El factor de potencia es la proporción entre la potencia activa (kW) y la potencia
aparente S (kVA) de los terminales de una carga no lineal.
P (kW )
λ=
S (kVA )
No es el desplazamiento de fase entre la tensión y la corriente, puesto que ya no
son sinusoidales.
Desplazamiento entre la tensión y la corriente fundamentales
El desplazamiento de fase ϕ1 entre la tensión y la corriente fundamentales, ambas
sinusoidales, se puede definir como:
P1 (kW )
cos ϕ1 =
S1 (kVA )
P1 y S1 son la potencia activa y aparente, respectivamente, del valor fundamental.
Factor de distorsión
El factor de distorsión se define como:
1
v = 1 − 1+THDI
2 =
λ
cos ϕ1
(como se define en IEC
60146).
Cuando no hay armónicos, este factor es 1 y el factor de potencia es simplemente el
cos ϕ.
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Armónicos (cont.)
Potencia
Carga lineal
En los terminales de una carga lineal trifásica equilibrada, proporcionada con una
tensión fase a fase U y una corriente I, donde el desplazamiento entre U e I es ϕ, los
valores de potencia son:
• P aparente = S = UI, en kVA
• P activa = S cos ϕ, en kW
• P reactiva = Q = S sin ϕ, en kVAr
S=
P2 + Q2
Carga no lineal
En los terminales de una carga no lineal, la ecuación para P es mucho más
compleja porque U e I contienen armónicos. No obstante, se puede expresar
simplemente como:
• P = S λ (λ = factor de potencia)
Para los valores fundamentales U1 e I1, desplazados por ϕ1:
• P fundamental aparente = S1 = U1 I1 3
• P fundamental activa = P1 = S1 cos ϕ1
• P fundamental reactiva Q1 = S1 sin ϕ1
S = P12 + Q12 + D2
Efectos de los armónicos
) En los dispositivos eléctricos, los
armónicos no producen potencia activa
ni reactiva, solo pérdidas por el efecto
Joule (ri2).
Consultar WP
26 Î
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D es la potencia de distorsión debida a los armónicos.
Pérdida de potencia aparente
La Figura 3.7 muestra que el producto de multiplicar una tensión en la frecuencia
fundamental sin armónicos por una corriente de tres armónicos es cero al final de un
periodo. Esto se cumple independientemente de cuáles sean la fase y el orden del
armónico.
S = P12 + Q12 + D2
Esto se expresa mediante la relación
Una parte de la potencia aparente la consumen los armónicos, sin ningún resultado.
• En los dispositivos giratorios, el par de apriete del motor resultante es igual a cero
y solo existe un par de apriete intermitente parasitario, que crea vibraciones.
• La única potencia activa presente durante una caída de tensión es el calor que
produce la corriente armónica (Ihk) en un conductor con resistencia r (r IHk2).
Î Consulte el Documento Técnico WP 26 “Hazards of Harmonics and Neutral
Overloads” (“Peligros de los armónicos y las sobrecargas neutras”) para obtener
más información.
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Armónicos (cont.)
Fig. 3.7. Multiplicaciones de U x I para los valores fundamentales (arriba) y los fundamentales
con armónicos (abajo).
) El aumento de la temperatura debido
a las corrientes armónicas se suma al
aumento de temperatura debido a la
corriente fundamental
Aumento de la temperatura de los cables
El aumento de temperatura de los cables se expresa como:
∞
r
Pérdidas =
) El neutro debe sobredimensionarse
para tener en cuenta las corrientes de
armónicos de tercer orden y sus
múltiplos.
∑IHn
2
n =1
Corriente en el neutro
Todas las corrientes de armónicos de tercer orden y sus múltiplos impares se
añaden en el neutro (consultar Fig. 3.8). La corriente del neutro puede ser hasta 1,7
veces la de las fases.
Consecuencias
Pérdidas significativas en el neutro
r Ineutro2 = aumento de temperatura en el neutro
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Armónicos (cont.)
Fig. 3.8. Los armónicos de tercer orden y sus múltiplos se añaden en el neutro.
Cargas autocontaminantes
) La distorsión de la tensión refleja la de
la corriente y aumenta al ritmo de la
suma de las impedancias aguas arriba
de la carga no lineal.
El valor THDI de la distorsión de la corriente, causado por la carga, genera el valor
THDU de la distorsión de la tensión causado por las corrientes armónicas que fluyen
por las diferentes impedancias de la fuente hacia abajo. La Figura 3.9 muestra las
diferentes formas de distorsión en una instalación eléctrica común.
Fig. 3.9. Efectos de los armónicos en la instalación.
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Armónicos (cont.)
Riesgo de avería del condensador
) En resumen, cuanto mayor sea el
contenido de los componentes de
orden superior de la tensión, peor
será el estado del condensador. A
menudo es necesario utilizar
condensadores reforzados.
El valor de la corriente de un condensador es:
.I = U C ω
Para una corriente armónica de orden k, la frecuencia angular es igual a ω = 2π k f, y
la corriente es igual a:
.I = 2 π k f U C
donde f = frecuencia fundamental y k = orden de armónicos.
El valor de la corriente aumenta con k.
Además, para una frecuencia armónica, también puede haber resonancia (1) del
condensador (capacitancia C) con la inductancia equivalente (L) de la fuente
(transformador, básicamente inductivo) en paralelo con la de las otras cargas
suministradas. Este circuito resonante (consultar Fig. 3.10) amplifica notablemente
la corriente armónica del orden correspondiente, de modo que empeora el estado
del condensador.
(1) Esto ocurre si, para un orden armónico k, con una frecuencia fk = k x 50 (o 60) Hz, LCωk
1, donde ω= 2 π fk.
2
˜
IH
Source
impedance
(transformer) in
parallel with that
of other loads
supplied
harmonic
currents
L
resonant
LC circuit
C
All
non-linear
loads
Fig. 3.10. Efectos de los armónicos con condensadores, riesgo de resonancia.
Consecuencias
• Riesgo de avería del condensador.
• Riesgo de resonancia por la presencia de inductores.
Deben respetarse ciertos límites:
• U máx. = 1,1 Un
• I máx. = 1,3 In
• THDU máx. = 8%
• Selección del tipo de condensador, en función del caso, es decir estándar, de
clase h (aislamiento reforzado), con inductores armónicos.
Desclasificación de los transformadores
) En términos generales, los
armónicos crean una desclasificación
de la fuente que es inversamente
proporcional al factor de alimentación
de carga, es decir, cuanto menor sea
el factor de potencia, más deberá
desclasificarse la fuente
Se combinan una serie de efectos:
• Debido al efecto del revestimiento, la resistencia de un bobinado del
transformador aumenta con el orden de los armónicos.
• Las pérdidas ocasionadas por la histéresis son proporcionales a la frecuencia.
• Las pérdidas debidas a las corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado
de la frecuencia.
Consecuencias
) De acuerdo con la norma NFC 52-114, la potencia de los transformadores debe
desclasificarse aplicando un coeficiente k a su potencia nominal, como:
k=
1
n= ∞
∑H n
2 1,6
n
1 + 0,1
n=2
Se trata de una ecuación empírica.
Otras normas nacionales recomiendan la desclasificación utilizando un factor k
similar que depende del país (p. ej. BS 7821 Parte 4, IEE 1100-1992).
Ejemplo
Un transformador de 1.000 kVA ofrece un puente rectificador de seis pulsos que
genera los siguientes armónicos:
H5 = 25%, H7 = 14%, H11 = 9%, H13 = 8%.
El coeficiente de desclasificación es k = 0,91.
En consecuencia, la potencia aparente del transformador es de 910 kVA.
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Armónicos (cont.)
Riesgo de generadores con perturbaciones
) En términos prácticos, el valor
THDI de la corriente del generador no
debe superar el 20%. Por encima de
ese porcentaje, es necesario
desclasificar.
De un modo similar a los transformadores, los generadores sufren mayores pérdidas
debido a la histéresis y las corrientes de Foucault.
• La reactancia subtransitoria X"d aumenta en función de la frecuencia.
• El campo giratorio "armónico" rastrea el rotor a una frecuencia diferente a la
frecuencia de sincronismo (50 o 60 Hz).
Consecuencias
• Creación de un par de apriete parasitario que reduce la eficacia de la conversión
de mecánico a eléctrico.
• Pérdidas adicionales en los bobinados del inductor y el humectador del rotor.
• Presencia de vibración y ruido anormal.
Pérdidas en los motores asíncronos
Los armónicos producen los siguientes efectos en los motores asíncronos:
• Aumentos en las pérdidas en hierro y Joule (pérdidas de estátor).
• Par de apriete intermitente (pérdidas de rotor con disminución de la eficacia
mecánica).
) El valor de THDU debe ser inferior al 10% para limitar este fenómeno.
Efectos en otros equipos
Los armónicos también pueden perturbar el funcionamiento de los siguientes
equipos:
• Unidades de disparo no eficaz, que ocasionan la molesta desconexión de los
disyuntores
• Centrales telefónicas automáticas
• Alarmas
• Dispositivos electrónicos sensibles
• Sistemas de control remoto
Efectos en sistemas SAI recientes
Los sistemas SAI modernos tienen frecuencias de recorte elevadas (PWM) y una
impedancia de salida muy baja (equivalente a un transformador cinco veces más
potente).
En comparación con las cargas no lineales, estos SAI ofrecen:
• Pérdidas limitadas
• Funcionamiento en modo de limitación de corriente
• Distorsión de tensión muy baja (THDU < 3%)
) Los SAI son un medio excelente para ofrecer cargas no lineales.
Conclusión
Los armónicos pueden tener efectos nocivos en las instalaciones eléctricas y en la
calidad del funcionamiento.
Por ello, las normas internacionales estipulan niveles de compatibilidad de
armónicos cada vez más precisos para los equipos y establecen límites para el
contenido armónico de los sistemas de distribución públicos.
Î Para conocer las normas sobre los armónicos, ver cap. 5 p. 28 "Normas del SAI".
En las páginas siguientes se presentan las distintas estrategias frente a los
armónicos y la utilidad de los acondicionadores de armónicos activos AccuSine.
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Eliminación de armónicos
Estrategias frente a los
armónicos
Hay dos estrategias:
• Aceptar y vivir con los armónicos, lo cual significa básicamente que hay que
sobredimensionar los equipos para tener en cuenta los armónicos.
• Eliminar los armónicos, parcial o totalmente, utilizando filtros acondicionadores de
armónicos activos.
Aceptación de los
armónicos
Sobredimensionamiento de los equipos
Consultar WP 38
Î
Dado que los efectos negativos de las corrientes armónicas aumentan con la
impedancia acumulativa de los cables y las fuentes, la solución obvia es limitar la
impedancia total para reducir tanto la distorsión de la tensión como el aumento de la
temperatura.
La Figura 3.11 muestra los resultados cuando se doblan las secciones transversales
de los cables y la potencia nominal de la fuente.
Puesto que el valor de THDU depende principalmente del componente inductivo y,
por tanto, de la longitud de los cables, está claro que esta solución no es muy eficaz
y que simplemente limita el aumento de la temperatura.
La Figura 3.12 muestra que para las corrientes armónicas más fuertes (H3 a H7), la
proporción Lω/R es igual a 1 para los cables con una sección transversal de 36
mm². En consecuencia, por encima de los 36 mm², es necesario reducir la
impedancia utilizando un cable multinúcleo para crear impedancias paralelas.
Î Para los centros de datos, consulte “Harmonic Currents in the Data Center: A
Case Study” (“Corrientes armónicas en el centro de datos: estudio monográfico").
Fig. 3.11. Aumento de las secciones transversales de los cables para limitar la distorsión y las
pérdidas.
Fig. 3.12. Influencia de la sección transversal del cable en Lω/R.
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Eliminación de armónicos (cont.)
Soluciones de Schneider
Electric para eliminar los
armónicos
Existen diferentes tipos de soluciones para eliminar los armónicos.
Î Filtros, ver cap. 1 p. 27 “ Selección de un filtro” .
Filtros pasivos
Los filtros LC pasivos se ajustan a la frecuencia que debe eliminarse o atenúan una
banda de frecuencias. Los sistemas de recombinación armónica (doble puente,
cambio de fase) también se pueden incluir en esta categoría.
• A petición, Schneider Electric puede integrar este tipo de filtro en sus soluciones.
Los filtros pasivos tienen dos inconvenientes principales:
• La eliminación de los armónicos solo es eficaz para una instalación específica, es
decir, la incorporación o eliminación de cargas puede interrumpir el sistema de
filtrado.
• A menudo son difíciles de implementar en las instalaciones que ya existen.
Filtros activos / acondicionadores de armónicos activos
Los filtros activos, también denominados acondicionadores de armónicos activos,
como AccuSine, cancelan los armónicos inyectando corrientes armónicas
exactamente iguales donde surgen. Este tipo de filtros reaccionan en tiempo real (es
decir, de forma activa) frente a los armónicos existentes para eliminarlos. Son más
eficaces y flexibles que los filtros pasivos, evitan sus inconvenientes y, en
comparación, constituyen una solución que:
• Ofrece un gran rendimiento (es posible eliminar totalmente los armónicos, hasta el
º
orden 50 ).
• Es flexible y se puede adaptar (posibilidad de configurar la acción) y reutilizar.
Tabla de resumen de las posibles estrategias frente a los armónicos
Estrategia
Ventajas
Aceptación de los armónicos
Aumento de los valores Reducción del valor
nominales de las fuentes THDU de la
o las secciones
alimentación mediante
transversales de los
la reducción de la
impedancia de la
cables
fuente. Reducción de
las pérdidas Joule.
Alimentación especial
Limita las
para cargas no lineales perturbaciones en
cargas colindantes
mediante el
desacoplamiento.
Armónicos eliminados parcialmente
Filtros pasivos ajustados Solución sencilla.
Inductores aguas arriba Reducción de las
de las cargas no lineales corrientes armónicas.
Limita los efectos de
las sobretensiones
transitorias.
Transformadores
especiales
Armónicos eliminados completamente
Acondicionadores de
Solución sencilla y
armónicos activos
flexible
Schneider Electric
Inconvenientes
Soluciones de Schneider Electric
Difícil en las soluciones existentes. Solución costosa
que se limita a reducir el componente resistivo de las
secciones transversales pequeñas (la inductancia
permanece constante).
Requiere cables paralelos para las secciones
transversales grandes. No evita las perturbaciones
aguas arriba de la instalación. No cumple las normas.
Igual que el punto anterior.
Solo para una o dos órdenes de armónicos. Los filtros Gama de filtros pasivos
de banda ancha no son muy eficaces. Posibilidad de Incluye soluciones de doble puente y
resonancia. Se necesita un trabajo de diseño costoso. cambio de fase.
Aumento del valor de THDU en los terminales de la
carga.
Eliminación solo de ciertos órdenes de armónicos.
Construcción no estándar.
Es posible eliminar los armónicos totalmente (hasta el Acondicionadores activos
º
orden 25 ), sistema adaptable (configuración de la
AccuSine
acción) y reutilizable.
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AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos
Acondicionadores activos
AccuSine
Características de AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos AccuSine
Los acondicionadores de armónicos activos AccuSine constituyen un enfoque más
general del problema de los armónicos. Estos filtros activos no solo son para una
unidad SAI, sino que están diseñados para eliminar los armónicos de toda la
instalación.
AccuSine se adapta especialmente bien a las aplicaciones industriales y de
infraestructuras de media potencia, y ofrece corrientes acondicionadoras de 20 a
480 A en sistemas trifásicos con un neutro.
Estas soluciones se describen en la siguiente sección.
La tabla siguiente resume las principales características.
Gama
AccuSine
Nivel
de
potenci
a
De 20 a
480 A
Sistemas
Características
de 50/60 Hz principales
Aplicaciones
De 380 a
415 V
3 Ph+N
y 3 Ph
Filtrado de sistemas
industriales,
comerciales y de
infraestructuras de
media potencia,
3Ph+N y 3 Ph,
cargas monofásicas
● Filtrado hasta H25
● Acondicionamiento
activo digital con:
- Análisis y
acondicionamiento de
órdenes individuales
- Tiempo de respuesta de
40 ms para fluctuaciones
de carga
Ventajas del acondicionamiento de armónicos activos
AccuSine
• Solución de banda ancha de H2 a H25 con acondicionamiento individual de cada
fase.
• Es posible seleccionar órdenes de armónicos individuales para
acondicionamiento.
• No existe riesgo de sobrecargas, límites de acondicionamiento en la potencia
nominal máxima, aunque la alimentación de carga supere el valor nominal.
• Se adapta automáticamente a todos los tipos de cargas, monofásicas y trifásicas.
• Compatible con todas las disposiciones de conexión a tierra del sistema.
• Corrección de factor de potencia.
• Económico, cuando los armónicos están cortados por la mitad, las pérdidas se
reducen cuatro veces.
• Se puede reutilizar en otras instalaciones.
• Se puede actualizar con unidades conectadas en paralelo.
• Muy compacto.
• Instalación sencilla, con transformadores de corriente aguas arriba y aguas abajo.
Principio de funcionamiento
La fuente alimenta exclusivamente el componente fundamental (IF) de la corriente
de carga.
El acondicionador activo mide en tiempo real los armónicos (IH) producidos por la
carga y los alimenta.
Aguas arriba del punto A, donde se ha conectado el acondicionador, la corriente
fundamental IF no se alta, y aguas abajo la carga obtiene la alimentación de la
corriente no lineal IF + IH.
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AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos
IF
IF + IH
A
Source
Injection of
compensation
current
Non-linear
load
IH
Active harmonic
conditioner
Measurement
of load
harmonics
Fig. 3.13. Acondicionamiento armónico de AccuSine.
Modos de funcionamiento
Modo digital, acondicionamiento de órdenes individuales
El modo de funcionamiento básico de AccuSine es digital, con un sensor de
corriente, conversión analógica/digital de las mediciones de corriente y cálculo en
tiempo real del espectro armónico. Esta información se suministra al inversor para la
compensación de los órdenes de armónicos individuales.
El tiempo de respuesta para las fluctuaciones de la carga es de 40 ms (dos ciclos).
Diagrama operativo
La potencia necesaria para el acondicionamiento se obtiene del sistema de
distribución trifásico y se almacena en el inductor L y los condensadores cargados
con +Vm y -Vm respectivamente (consultar Fig. 3.14).
En función del signo de la corriente armónica que se necesite, se modula la anchura
de impulsos de un condensador u otro. Esto significa que puede utilizarse la misma
conexión con sistema de alimentación para obtener la alimentación e inyectar los
armónicos.
La potencia enviada a la carga depende de:
• Los valores armónicos medidos.
• Los requisitos del usuario, definidos durante la configuración del sistema:
eliminación de los órdenes de armónicos y corrección del factor de potencia (sí o
no).
El transformador actual, combinado con un convertidor analógico/digital, determina
el espectro (fundamental y armónicos) de la corriente que alimenta la carga.
En función de estos valores y el programa de selección, un procesador prepara los
comandos para el inversor, para la ejecución de una fase tras las mediciones.
La corrección del factor de potencia se obtiene generando una corriente
fundamental +90° de la fase con la tensión.
Fig. 3.14. Funcionamiento de AccuSine.
Opciones
En sistemas 3Ph o 3 ph+N, el usuario puede decidir si se acondicionarán:
• Todos o solo algunos armónicos hasta H25.
• El factor de potencia
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AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos
) AccuSine siempre se suministra con potencia trifásica, pero puede acondicionar
cargas monofásicas, es decir, armónicos de secuencia cero 3k.
Modos de instalación
Modo en paralelo
Pueden conectarse hasta cuatro acondicionadores de armónicos activos AccuSine
en paralelo en el mismo punto de la instalación. Es el modo de aumentar la
capacidad de acondicionamiento de armónicos o la disponibilidad del sistema.
Para las instalaciones en paralelo, se necesita un único conjunto de sensores en el
circuito acondicionado y se utiliza una conexión por cable para enviar las mediciones
de la corriente de carga a los distintos acondicionadores. Si un acondicionador se
cierra, los acondicionadores restantes siguen acondicionando los armónicos, dentro
de los límites de su capacidad de acondicionamiento nominal.
Fig. 3.15. Funcionamiento en paralelo de tres acondicionadores de armónicos activos
AccuSine.
Modo en cascada o en serie
Es posible el funcionamiento en modo "cascada" o "en serie", pero requiere
determinados parámetros para evitar interacciones entre los diferentes
acondicionadores.
El acondicionador aguas abajo generalmente acondiciona una carga de alta
potencia. El dispositivo aguas arriba acondiciona los demás circuitos de salida de
baja potencia y, si es pertinente, los armónicos residuales que no se hayan
acondicionado con el primer acondicionador.
Fig. 3.16. Acondicionadores de armónicos activos AccuSine en modo en cascada.
Modo de varios circuitos
En este modo, un solo acondicionador puede acondicionar hasta tres circuitos de
salida. Se necesita un conjunto de sensores para cada circuito acondicionado y
todos están conectados a AccuSine. Esta configuración resulta muy útil cuando los
armónicos están concentrados en un número reducido de circuitos.
Fig. 3.17. Un acondicionador activo AccuSine para varios circuitos.
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AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos
Posición en la instalación
Acondicionamiento total (o centralizado)
El acondicionador de armónicos activo se conecta solo aguas abajo de las fuentes,
generalmente en el nivel de cuadro de conexión de tensión baja principal.
Acondicionamiento parcial
El acondicionador de armónicos activo se conecta en el nivel del cuadro de
conexión principal o secundario y acondiciona un conjunto de cargas.
Acondicionamiento local
El acondicionador de armónicos activo se conecta directamente a los terminales de
cada carga.
Fig. 3.18. Tres posibles puntos de instalación de AccuSine, en función de los requisitos del
usuario.
Comparación de las posibilidades de instalación
Tipo de
acondicionamiento
Total
(nivel de cuadro de
conexión de tensión baja
principal)
Ventajas
Inconvenientes
Aplicaciones
Económico.
Libera los generadores
(transformadores, generadores).
Cumplimiento con los requisitos de
alimentación.
Evita inyectar los armónicos aguas arriba
de la instalación.
Parcial
(nivel de cuadro de
conexión secundario)
Evita sobredimensionar los cables
entre los cuadros de conexión
principal y secundario.
La recombinación de ciertos
armónicos podría reducir el valor
nominal del acondicionador.
Elimina los armónicos donde
tienen lugar.
Reduce las pérdidas en todos los
cables, hasta la fuente.
Los armónicos permanecen en la
parte aguas abajo de la
instalación.
Los cables deben
sobredimensionarse.
Los armónicos permanecen entre
el cuadro de conexión secundario
y la carga no lineal.
El cable de salida a la carga debe
sobredimensionarse.
Local
(nivel de carga)
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Costoso cuando se requieren
unos cuantos acondicionadores.
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Edificios grandes.
Acondicionamiento espaciado
regularmente en cada planta o conjunto
de plantas.
Varios circuitos que alimentan las cargas
no lineales.
Para las instalaciones en que hay pocas
cargas no lineales y de alta potencia con
respecto a las demás cargas. Por ejemplo,
grandes unidades de velocidad variable,
SAI de alta potencia,
compartimentos de servidor, iluminación,
SAI de alta potencia o sistemas de
iluminación fluorescentes.
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AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos
A efectos prácticos
• El acondicionamiento total no plantea problemas de cálculo.
• El acondicionamiento parcial requiere una serie de precauciones.
• Para todas las cargas RCD no compensadas (unidades de velocidad variable de
alta potencia sin inductores para aplicaciones de par de apriete variable), el
acondicionamiento local solo puede garantizar un valor de THDU que no supere
ciertos límites para asegurar un funcionamiento correcto de la carga.
Posición de los transformadores de corriente aguas arriba
y aguas abajo
En la mayoría de los modos de instalación anteriores, pueden utilizarse con
AccuSine dos tipos de instalación del transformador de corriente.
Transformador de corriente aguas arriba de la carga
Esta es la situación más común.
IH
IF
IF + IH
active harmonic
conditioner
CT to measure load
harmonics
non-linear
load
Fig. 3.19. Instalación con un transformador de corriente aguas arriba de la carga.
Instalación de un transformador de corriente aguas arriba de AccuSine
y un transformador de corriente en la entrada del cuadro de conexión
Esta configuración simplifica las cosas cuando resulta difícil instalar un
transformador de corriente en la línea aguas arriba de la carga. Los dos
transformadores de corriente tienen características compatibles y complementarias.
La diferencia entre las corrientes medidas determina la corriente de compensación
necesaria.
CT1 to measure
source current
IH
IF
CT2 to measure
conditioner current
IF + IH
information on current to be
reinjected
(différence CT1 - CT2)
active harmonic
conditioner
non-linear
load
Fig. 3.20. Instalación con dos transformadores de corriente, uno en la entrada del cuadro de
conexión y el otro aguas arriba del acondicionador.
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AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos
Ventajas de AccuSine
Eliminación de las corrientes armónicas acondicionadas
Para los armónicos seleccionados, AccuSine está diseñado para ofrecer una ruta
para las corrientes de armónicos prácticamente sin impedancia con respecto a la de
la fuente. Esto elimina su flujo aguas arriba hacia la fuente.
La Figura 3.21 muestra AccuSine entre las dos secciones de línea ZL1 y ZL2, que
proporciona una carga RCD estándar que puede ser monofásica o trifásica (fuente
de alimentación conmutada o unidad de velocidad variable).
Se eliminan las corrientes de armónicos IHn que anteriormente fluían a través de las
impedancias Zs y ZL1 aguas arriba del punto de instalación de AccuSine.
La fuente ahora alimenta exclusivamente la corriente fundamental If.
AccuSine alimenta las corrientes armónicas IHn en la carga, al medir continuamente
los armónicos que se obtienen de la carga.
Fig. 3.21. AccuSine modifica la corriente aguas arriba de este punto de instalación.
Reducción del valor de THDU en el punto de instalación
Aguas arriba de AccuSine, se eliminan las corrientes armónicas IHn seleccionadas
(todas o solo algunos de los armónicos hasta el 25º).
La distorsión armónica total aguas arriba del punto de instalación se calcula como
(ver cap. 4, pág. 49):
∞
∑ UH
n
THDU % = 100
2
n=2
UH1
donde UHn es la caída de tensión correspondiente al valor IHn armónico.
La eliminación de la corriente armónica de un orden específico elimina la tensión
armónica del mismo orden (1).
El resultado es una importante reducción en el valor de THDU mediante la selección
de los armónicos más significativos.
Dado que por encima del orden 25º los armónicos individuales son insignificantes, el
valor de THDU es prácticamente igual a cero y se elimina por completo la distorsión
si condiciona a todos los armónicos hasta el 25º.
(1) Por el hecho de que UHn e IHn son componentes sinusoidales a una frecuencia nf (donde f
es la frecuencia del fundamental), están relacionados por la ley de Ohm, y tienen en cuenta el
valor de las impedancias afectadas (Zs y ZL1) con una frecuencia angular nω.
Por tanto:
UHn = (Zs(nω) + ZL1(nω)) IHn.
Para todos los armónicos acondicionados, IHn = 0 y en consecuencia UHn = 0.
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Acondicionadores de armónicos activos
Procedimiento para
implementar el
acondicionamiento activo
Conclusión sobre el acondicionamiento activo
Los cálculos de acondicionamiento precisos requieren:
• Un conocimiento preciso y exhaustivo de la instalación (fuentes, líneas y método
de instalación).
• Un conocimiento preciso de las cargas (curvas de armónicos y de desplazamiento
en función de la impedancia de la fuente).
• Herramientas de cálculo especiales.
• Análisis y simulación.
Nuevas instalaciones
Las normas estándar que rigen las instalaciones eléctricas siguen aplicándose, pero
se requiere una evaluación de la distorsión de la tensión (THDU) donde fluyen las
corrientes de armónicos.
Esta evaluación es muy compleja y requiere un software de cálculo especial, así
como un gran conocimiento de las cargas no lineales, en especial la distribución
armónica en función de la impedancia aguas arriba.
Schneider Electric cuenta con las herramientas de simulación necesarias para estos
cálculos.
Instalaciones existentes
Para las instalaciones existentes, para cualquier acción correctiva es imprescindible
una evaluación precisa del sitio. La relación matemática entre la distorsión de la
corriente y la tensión es compleja y depende de varios componentes de la
instalación.
El control del fenómeno de los armónicos requiere conocimientos y experiencia, así
como software y herramientas especializados (analizador de espectro, software de
cálculo para la distorsión en los cables, software de simulación, etc.).
Sin embargo, aunque cada solución sea específica de un sitio específico, unos
métodos rigurosos y unas técnicas profesionales adecuadas garantizan con toda
probabilidad el funcionamiento correcto de la instalación.
Metodología
Schneider Electric ha dominado todo el proceso de eliminación de los armónicos y
propone un enfoque de tres pasos:
1. Auditoría del sitio
2. Determinación de la solución más adecuada
3. Instalación del sistema y comprobaciones
1. Auditoría del sitio
Diagrama de instalación
Antes de iniciar una serie de mediciones, le sugerimos que dibuje un diagrama
simplificado de la instalación, que incluya lo siguiente:
• Tipos de equipos
- Generadores: tipo, potencia nominal, tensión, Usc, X"d (grupo electrógeno de
motor).
- Transformadores de aislamiento: tensión, potencia nominal, tipo, Usc,
acoplamiento.
- Distribución: tipo de cables, longitud, sección transversal, método de instalación.
- Cargas: potencia nominal, tipo.
- Distribuciones de conexión a tierra del sistema en diferentes puntos de la
instalación.
• Modos de funcionamiento
- Con alimentación de la red eléctrica.
- Con grupos electrógenos de motor (alimentación de reserva o cogeneración).
- Con SAI.
• Modos de funcionamiento degradados
- Sin redundancia.
- Con alimentación de grupos electrógenos de motor.
Este diagrama le permitirá localizar los diferentes puntos de medición e identificar
las fases operativas críticas (para evaluación mediante simulación o cálculo).
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AccuSine
Acondicionadores de armónicos activos
Medidas
Tras el paso anterior indispensable, puede comenzar la fase de medición,
preferiblemente en la fuente y aguas abajo hacia las cargas con los armónicos, para
limitar el número de mediciones.
La calidad de las mediciones es más importante que la cantidad, y hace que el paso
siguiente resulte más sencillo.
Estudio de instalación preliminar
El primer paso finaliza con un estudio preliminar de la instalación:
• Punto(s) de instalación de los acondicionadores
• Condiciones de instalación para los disyuntores de protección
• Instalación de sensores (con o sin alimentación)
• Posibilidad de cerrar la carga
• Espacio disponible
• Evacuación de pérdidas (ventilación, aire acondicionado, etc.)
• Restricciones ambientales (ruido, EMC, etc.)
2. Determinación de la solución más adecuada
Los elementos anteriores se utilizan para determinar la solución óptima mediante:
• Análisis de los resultados de mediciones
• Simulación de las diferentes soluciones para el problema detectado
• Determinación de la solución más adecuada
• Creación de un informe de resumen de las soluciones propuestas
3. Instalación del sistema y comprobaciones
Este último paso incluye:
• Implementación de las soluciones seleccionadas
• Comprobación de los niveles de rendimiento con respecto a los resultados
garantizados
• Creación de un informe de inicio del sistema
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