Modulo IV. Factor de potencia y armónicas

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Modulo IV. Factor de potencia y armónicas
Dr. Armando Llamas Terrés
A4-410 Tel 83582000 Ext 5420
email: allamas@campus.mty.itesm-mx
Ing. Javier Rodríguez Bailey
A4-423D Tel 83 58 20 00 Ext 5512
email: jrodrigu@campus.mty.itesm.mx
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Objetivo
¿Desea disminuir el pago de energía eléctrica, mejorando el
factor de potencia?
¿Desea aprovechar mejor su equipo eléctrico, aumentando la
eficiencia y capacidad al reducir el contenido de armónicas?
Objetivo: Capacitar al profesionista para que: comprenda
el significado del factor de potencia en ausencia y con
presencia de armónicas, entienda que se mide para
determinar factor de potencia y los efectos nocivos que
pueden tener las armónicas y su efecto al tratar de corregir
factor de potencia.
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M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Contenido
1.- Definiciones fundamentales de potencia: potencia
instantánea, potencia promedio, potencia reactiva y potencia
aparente en ausencia de armónicas.
2.- Modificación de los conceptos anteriores al incluir la
influencia de armónicas: factor de desplazamiento, factor de
distorsión y distorsión total de armónicas.
3.-Corrección de factor de potencia con condensadores:
como modifican el factor de potencia, que parte del factor de
potencia mejoran, resonancia paralelo y filtros.
Demostración del efecto de resonancia paralelo al agregar
condensadores para corregir factor de potencia.
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Contenido - 2
4.-Convertidores estáticos: como cambia el factor de
potencia en convertidores estáticos y que armónicas se
producen.
5.-Convertidores estáticos con factor de potencia mejorada:
técnicas para mejorar el factor de potencia, técnicas que
mejoran el factor de potencia y el contenido de armónicas.
6.- Medición: como se mide el factor de potencia y como se
determina el contenido de armónicas. Demostración de
medición de armónicas y el factor distorsión de armónicas.
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Factor de potencia en ausencia de armónicas o
factor de potencia tradicional.
Para iniciar se repasaran los conceptos básicos de potencia y
factor de potencia, incluyendo entre otros los siguientes
conceptos:
-potencia promedio (también denominada potencia real o
potencia activa),
-potencia reactiva (también llamada potencia imaginaria)
- potencia aparente
-relación existente entre ellas incluyendo factor de potencia.
Para este propósito se considerara el caso de tener una fuente
senoidal v(t) conectada a una carga lineal por donde circulara
una corriente senoidal i(t).
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Potencia instantánea
v(t) = 2 V Cos (wt +Θ)
p (t)=v(t) i(t) =
i(t) = 2 I Cos (wt +Ø)
2 V Cos (wt + Θ )
2 I C os (wt +Ø )
Usando identidades trigonométricas se obtiene:
p(t) =V I[Cos(Θ−Φ) +Cos(2wt +Θ+Φ)]
Donde Ppromedio = V I Cos (Θ − Φ )
Y el otro término es un coseno del doble de la frecuencia de la fuente.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Potencias promedio y reactiva
La ecuación anterior también se
puede expresar de la siguiente forma:
p (t ) = V I Co s (Θ − Φ) [1 + Cos (2 wt + 2Θ )] +
V I Sen (Θ − Φ) Sen(2wt + 2Θ)
Donde al término que multiplica a 1 +Cos (2wt+2Θ) es el valor
promedio y lo conocemos como potencia activa. Al término que
multiplica a Sen(2wt+2Θ) lo conocemos como potencia reactiva.
P = V
I
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C os(Θ − Φ ) y Q = V
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I
S en (Θ − Φ )
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Potencia compleja
Se puede usar una notación simplificada para P y Q,
juntándolos y formando un número complejo.
P + j Q = V I Cos (θ − φ ) + jV I Sen (θ − φ )
Usando la ecuación de Euler ejβ = Cos β +j Sen β tambien se
puede expresar como:
S = P + jQ =V I e
j (θ −φ )
= Ve
jθ
Ie
− jφ
=VI
*
Donde S es la potencia compleja, P es la potencia promedio,
activa o real y Q es la potencia reactiva o imaginaria.V es el
fasor voltaje e I* es el fasor corriente conjugado.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Carga resistiva
CASO DE CARGA RESISTIVA
CORRIENTE EN FASE CON VOLTAJE
1.0
V(t)= 1.0 Cos(wt)
0.8
I(t) = 0.8 Cos (wt)
0.6
0.4
P(t) = 0.8 Cos(wt) Cos (wt)
= 0.4 (1+ Cos (2 wt))
0.2
0.0
Potencia promedio = 0.4
-0.2
Potencia reactiva = 0
-0.4
-0.6
VOLTAJE
CORRIENTE
POTENCIA
CERO
-0.8
-1.0
0
45
90
135
180
225
270
315
360
ANGULO
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Carga inductiva
CASO DE CARGA INDUCTIVA
CORRIENTE ATRASADA 90 GRADOS
V(t)= 1.0 Cos(wt)
1.0
0.8
I(t) = 0.8 Sen (wt)
0.6
P(t) = 0.8 Cos(wt) Sen(wt)
= 0.4 Sen(2 wt)
0.4
Potencia promedio = 0
0.0
0.2
-0.2
Potencia reactiva = 0.4
-0.4
VOLTAJE
CORRIENTE
POTENCIA
CERO
-0.6
-0.8
-1.0
0
45
90
135
180
225
270
315
360
ANGULO
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Carga capacitiva
CASO DE CARGA CAPACITIVA
CORRIENTE ADELANTADA 90 GRADOS
V(t)= 1.0 Cos(wt)
1.0
I(t) = - 0.8 Sen (wt)
0.8
P(t)= - 0.8 Cos(wt) Sen(wt)
= - 0.4 Sen(2 wt)
0.6
0.4
0.2
Potencia promedio = 0
0.0
-0.2
Potencia reactiva = -0.4
-0.4
VOLTAJE -0.6
CORRIENTE -0.8
POTENCIA
CERO
-1.0
0
Centro de Estudios de Energía
45
90
135
180
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225
ANGULO
270
315
360
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Diagramas fasoriales
Q
CARGA RESISTIVA
V
P
S
I
CARGA INDUCTIVA
Q
S
V
P
I
CARGA CAPACITIVA
I
Q
V
P
S
V
CARGA ARBITRARIA
Θ
I
Ø
Q
S
Θ− Ø
P
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Potencia reactiva
La potencia Q es positiva y el ángulo de S es
positivo para cargas inductivas o sea cuando la
corriente esta atrasada con respecto al voltaje o
el factor de potencia es atrasado (-).
La potencia Q es negativa y el ángulo de S es
negativo cuando la corriente esta adelante del
voltaje o el factor de potencia es adelantado (+).
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Significado de Q
Q es una medida de potencia transmitida
inútilmente por largas distancias.
Q es una medida del grado al cual un sistema de
potencia no se aprovecha adecuadamente.
Q es una medida de la capacidad del equipo que se
requiere para obtener corriente en fase con el
voltaje o sea factor de potencia unitario.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Necesidad de Q
Q es necesaria para la producción de campos
magnéticos requeridos para la operación de muchos
equipos como transformadores, motores de
inducción, válvulas solenoides, relevadores etc..
En estos casos Q es positiva.
Q es necesaria para la producción de campos
eléctricos para tener voltaje como en las líneas de
transmisión. En este caso Q es negativa
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Técnicas para mejorar el factor de
potencia
1.- Suministrar la potencia reactiva localmente
con condensadores o motores sincrónicos.
2.-Controlando la potencia reactiva requerida por
controladores estáticos.
3.- Desconectando motores y transformadores sin
carga.
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IEEE Std 141, Red Book
Cuatro métodos de controlar
potencia reactiva usando
condensadores
1.- Conectando condensadores en concordancia con el motor,
usando el arrancador del motor.
2.-Conectando condensadores usando contactores, termomagnéticos
o interruptores al vació.
3.- Usando tiristores para conectar un reactor en paralelo con
condensadores. (Static var compensation o SVC).
4.- Usar tiristores para conectar condensadores que se conecten y
desconecten con corriente cero.
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IEEE Std 141, Red Book
Motivación para corregir factor de potencia:
1.- Disminuir penalización aplicada al consumo de energía.
2.- Liberar capacidad de alimentadores y transformadores.
3.- Disminuir pérdidas en alimentadores
4.- Disminuir la caída de voltaje en alimentadores.
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Reducción en corriente de línea
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Beeman, Industrial Power System
Handbook, McGraw-Hill, 1955
Penalización aplicada al consumo de energía.
Recargo por factor de potencia menor a 0.9:
% de Recargo= 3/5 x ( (90/FP) -1) x 100
Ejemplo: FP= 30%
%de Recargo= 120%
Bonificación por factor de potencia mayor a 0.9:
% de Bonificación = 1/4 x (1 -(90/FP)) x 100
Ejemplo: FP=100%
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% de Bonificación= 2.5%
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Recuperar capacidad de alimentadores y
transformadores.
Otra forma de interpretar la reducción en la corriente al
corregir el factor de potencia, es ver que esto permite que
los alimentadores y transformadores puedan aumentar su
corriente para alimentar otras cargas.
Por ejemplo: si originalmente la capacidad de conducción
de corriente era de 100A y se estaba usando esta
capacidad para alimentar una carga con factor de potencia
0.8. Al corregir el factor de potencia a 1.0 la corriente se
reduce a 80A lo que libera 20A de capacidad de
conducción para alimentar otras cargas.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Reducción de pérdidas en alimentador
Iw
I = Iw + Ivar
|Ι|2 = |Iw|2+ |Ivar|2
Ivar
I
Pérdidas del alimentador = r |Ι|2 = r |Iw|2+ r |Ivar|2
Perdidas del alimentador al eliminar Ivar = r |Iw|2
Si el factor de potencia original era =0.8(-) y se corrige a 1.0
|Iw| = 0.8 |Ι| .y
|Ivar| = 0.6 |Ι|.
Pérdidas originales = r |Ι|2
Pérdidas al quitar Ivar = r |Iw|2 = 0.64 r |Ι|2
Las pérdidas se reducen en 0.36 r |Ι|2 o sea 36%
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Caída de voltaje en alimentadores
La caída de voltaje en alimentadores depende de la
impedancia del alimentador y de la corriente que circula por
el mismo.
A bajos voltajes el efecto resistivo es importante.
A altos voltajes predomina el efecto inductivo.
∆V= Z I = (r + j x) (Iw +Ivar)
donde:
Iw es la parte de la corriente que suministra potencia promedio
Ivar es la parte de la corriente correspondiente a la potencia
reactiva.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Caso de alimentador con efecto resistivo
Iw
Vs
Ivar
VL
r Iw
∆V
r Ivar
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En este caso la corriente Iw provoca una
caída en fase con el voltaje de la fuente, y
la corriente Ivar no altera
significativamente la magnitud del voltaje
en la carga, solo altera su ángulo de fase.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Caso de alimentador puramente inductivo
Iw
Ivar
Vs
jx Iw
∆V
jx Ivar
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∆V
VL
En este caso lo corriente Ivar produce la caída
que se resta en fase con el voltaje de la fuente y
la corriente Iw no modifica en forma
predominante la magnitud de voltaje de la carga,
solo cambia el defasamiento.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Caso de alimentador puramente inductivo
usando condensadores
Si se elimina Ivar mediante el uso de condensadores,la
magnitud del voltaje en la carga no se modificaría
apreciablemente.
Vs
VL
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∆V
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Tamaño de condensadores
Sexistente
Qexistente
Pexistente = Sexistente Cos Θo
Qexistente = Sexistente Sen Θo
Sdeseada Qexistente = Pexistente Tan Θo
Θ f Θο
Pexistente = SdeseadoCos Θf
Pexistente
Qdeseado = Sdeseado Sen Θf
Qdeseada
Qc
Qdeseado = PexistenteTan Θf
Qdeseado = Qexist ente − Qc
Qc = Qexistente − Qdeseado
Qc = Pexistente
(Tan Θo − TanΘ f )
2
V
= V 2 w C = V 2 2π f C
Qc =
X
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c
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Hoja de cálculo CFE-1
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Dr. Armando Llamas Terrés
Hoja de cálculo CFE-2
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Hoja Excel
Período de Horas del
Consumo
facturación período
Mes/Año
Dic-00
Ene-01
Feb-01
Mar-01
Abr-01
May-01
Jun-01
Jul-01
Ago-01
Sep-01
Oct-01
Nov-01
Dic-01
Promedios
Máximos
h
744
744
672
744
720
743
720
744
744
721
744
720
744
kWh
23000
22000
21000
24000
23000
27000
27000
26000
32000
29000
35000
33000
30000
Demanda
Potencia Potencia
Factor de Demanda Factor de
máxima
reactiva reactiva
potencia
media
carga
promedio máxima
Dm
kW
fp
Dprom
fc
Qprom
Qmax
142
0.8556
31
0.2177
19
86
140
0.8954
30
0.2112
15
70
136
0.8944
31
0.2298
16
68
141
0.8944
32
0.2288
16
71
140
0.834
32
0.2282
21
93
126
0.8023
36
0.2884
27
94
142
0.9138
38
0.2641
17
63
134
0.8779
35
0.2608
19
73
170
0.8599
43
0.2530
26
101
177
0.8561
40
0.2272
24
107
155
0.8923
47
0.3035
24
78
135
0.8944
46
0.3395
23
68
172
0.8575
40
0.2344
24
103
147
0.871743
37
0.2519
21
83
177
47
107
fp =
kWh
kWh2 + kVArh2
Dprom =
fc =
kWh
h
Dprom
Dm
Demanda máxima: La mayor de las demandas del período de facturación (Dp, Di, Db)
2
 1 
Qprom = Dprom   − 1
 fp 
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2
 1 
Q max = Dm   − 1
 fp 
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Triángulos de potencia y selección del banco de
capacitores
M áximo de demandas
Fp = 0.8556
Promedio de demanda
media
Promedio de demandas
107 kVAr
Fp = 0.8708
177 kW
83 kVAr
Fp = 0.8697
21 kVAr
37 kW
147 kW
Al instalar 40 kVar:
M áximo de demandas
Promedio de demanda
media
Promedio de demandas
37 kW
Fp = 0.9352
67 kVAr
Fp = 0.9598
43 kVAr
19 kVAr
Fp = 0.8896
Fp = 1.00
177 kW
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147 kW
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Recargo o bonificación
20.0%
17.5%
15.0%
%
12.5%
%rec
10.0%
%bon
7.5%
5.0%
2.5%
0.0%
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
fp
3  0.9 
% Re c = 
− 1
5  fp 
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1  0.9 

% Bon = 1 −
4
fp 
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Recuperación de inversión
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Fp o = 0.85 atrasado
Rec = 3.5%
Fp n = 0.97 atrasado
Bon = 1.8%
Ahorro = 5.3 %
Facturación promedio sin iva y sin recargo =
$18,000.00
ƒ Ahorro mensual = $ 954.00
ƒ Inversión inicial = $ 22896.00
ƒ Retorno simple = 24 meses
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Localización de condensadores
La localización de condensadores requiere tomar en cuenta
factores económicos. Los costos por KVAR de
condensadores de medio voltaje son significativamente
menores que los de bajo voltaje, pero esta ventaja es
contrarrestada por los costos de los medios de conexión.
Los costos de comprar, instalar, proteger y controlar un solo
banco de condensadores y la habilidad de aislarlos de fuentes
de armónicas puede inclinar la decisión hacia instalar un solo
banco.
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IEEE Std 141, Red Book
Opciones de localización de condensadores
Fuente de suministro
115KV
C5
13.8KV
C3
C4
M
Cargas de
distribución
4.16KV
440V
M
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C1
C2
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M
IEEE Std 141, Red Book
Localización de condensadores
junto al motor
ALIMENTACION
cuchilla
cuchilla
cuchilla
fusible
fusible
fusible
C1
contactor
contactor
relevador de
sobrecarga
contactor
C2
relevador de
sobrecarga
relevador de
sobrecarga
C3
M
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MOTOR
M
MOTOR
M
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MOTOR
IEEE Std 141, Red Book
No se deben conectar los condensadores
directamente al motor cuando:
1.- Se usan arrancadores de estado sólido.
2.- Se arrancan los motores usando transición de circuito abierto.
3.- El motor se sujeta a conexiones y desconexiones repetitivas
(jogging, inching, or plugging).
4.- Se usan motores de múltiples velocidades.
5.- Se opera el motor en forma reversible.
6.- El motor mueve una inercia muy grande.
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IEEE Std 141, Red Book
Limitaciones en la conexión de
condensadores junto con el motor
1.- La existencia de corrientes con armónicas.
2.- Sobre-voltajes debido a autoexcitación.
3.- Corrientes de energización excesivas y
pares transitorios debido a conexión con
defasamiento de voltajes.
4.- Conexión de condensadores espalda con
espalda.
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IEEE Std 141, Red Book
Existencia de corrientes armónicas
En sistemas de distribución con varios motores conectados a
un barraje, se recomienda usar un banco de condensadores
conectado al barraje en lugar de conectar los condensadores
con los motores, para minimizar las posibles combinaciones
de condensadores e inductancia y simplificar la aplicación de
filtros.
La aplicación de condensadores a un barraje con corrientes
armónicas requiere un análisis del sistema de potencia para
evitar posibles resonancias paralelo entre los condensadores
y las inductancias de transformadores y de otros circuitos.
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IEEE Std 141, Red Book
Autoexcitación de motores al desconectarlos
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IEEE Standard 141-1993 p 417
Corrientes de energización excesivas debido a
conexión con defasamiento de voltajes
Los motores pueden sufrir daños si se re-conectan
mientras todavía existe voltaje inducido en el motor.
Este daño se puede prevenir si la re-conexión ocurre
después que el voltaje residual ha bajado lo suficiente
(menos del 25% del original).
El tiempo requerido para que el voltaje de un motor baje
cuando se desconecta, se alarga significativamente
cuando los condensadores están conectados en paralelo
con el motor.
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IEEE Std 141, Red Book
Multiplicadores para dispositivos de
desconexión de capacitores
Tabla 8.6. M ultiplicadores de nominal de capacitores para obtener capacidad*de dispositivo de desconexión
Tipo de dispositivo de
desconexión
Corriente equivalente por kVAr
M ultiplicador
Interruptor de potencia
tipo magnético
Int.en caja moldeada
M agnético
Otros
Contactores, encerrados+
Interruptor de seguridad
Interruptor de seguridad
fusible
* El dispositivo de desconexión debe tener un nominal de corriente continua que sea igual o que exceda a la
corriente asociada con los kVAr del capacitor por el multiplicador indicado. Los nominales de
interruptores encerrados son a 40°C de temperatura ambiente.
+ Si los fabricantes dan valores nominales específicos para capacitores, estos son los que hay que cumplir
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Capacidad interruptiva del interruptor
ƒ Capacidad interruptiva interruptor o fusible debe ser mayor que la
posible corriente máxima de corto circuito.
kVASC-1 son proporcionados por la compañía
suministradora
kVASC-1
CFE
kVASC −2 =
kVASC-2
kVAt
Zt
I SC =
1
Zt
1
+
kVASC −1 kVAt
kVASC− 2 ×1000
3 × VLL
ƒ Si no se conocen los kVASC-1 se pueden suponer infinitos
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Ejemplo de selección del interruptor
Considere un transformador de 1000 kVA, 480 V, con 6% de impedancia, un
banco de capacitores de 70 kVAr y 100 MVA de corto circuito en el primario
ƒ
Multiplicador: 1.35
ƒ
Corriente nominal del capacitor:
ƒ
Corriente nominal del interruptor en caja moldeada:
ƒ
Se podría escoger uno de 125 A
ƒ
Potencia de corto circuito en secundario:
ƒ
Máxima corriente de corto circuito:
ƒ
Se requiere un interruptor con capacidad interruptiva superior a 18 kA en 480 V
ƒ
Zsc = 1000 / 14286 = 7 %
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I NOM ,CAP =
kVAr × 1000
70000
=
= 84 .2 A
3 × VLL
3 × 480
I SC
I NOM , ITM = 1.35 × 84.2 = 113.7 A
−1
kVASC −2
1
0 .06 

= 14286
=
+
3

100
10
1000
×


14286 ×103 
=
 = 17183, A
 3 × 480 
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Elevación de voltaje
∆V =
∆V: Elevación de voltaje en pu,
Vc: Voltaje en terminales del capacitor con éste
conectado al sistema,
Vs: Voltaje del sistema antes de conectar el banco,
VAr: Potencia reactiva del banco al voltaje nominal
del sistema,
VAsc: Potencia de corto circuito, en el lugar en que se
instala el banco de capacitores,
VAt: Potencia nominal del transformador.
VC − VS
VAr
VAr VAT
=
=
×
VC
VASC VAT VASC
kVAt
Zt
CFE
Xsc = XSC-1 +
kVASC-1
Xt
Xsc en pu, tomando como base los
nominales del transformador, es igual al
cociente de la capacidad del transformador
en VA entre los VA de corto circuito en el
secundario. Xsc = VAt / VAsc.
kVASC-2
+
Vs
Vc
-
Centro de Estudios de Energía
+
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Dr. Armando Llamas Terrés
Curvas de elevación
∆V =
VC − V S
VAr
VAr VAT
=
=
×
VC
VASC VAT VASC
curvas de ∆ V
DV
∆V
∆V
DV
∆V
DV
∆V
DV
∆V
DV
∆V
DV
0.35
VAr/Vat
0.3
0.25
0.2
= 0.5%
= 1%
= 1.5%
= 2%
= 2.5%
= 3%
0.15
0.1
0.05
0.0200
0.0400
0.0600
0.0800
0.1000
0.1200
VAt/VAsc
•
•
Ejemplo: 2% de caída al desconectar el banco, curva azul claro, 8% de impedancia de corto
circuito Î El banco debe ser 0.25 kVAt.
En un sistema industrial un banco de capacitores difícilmente elevará el voltaje más de un 3%, lo
cual se puede remediar con un cambio de TAP.
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Dr. Armando Llamas Terrés
Factor de potencia en presencia de armónicas
Cuando en una red eléctrica se conectan cargas no lineales
los conceptos anteriores se tienen que modificar para
contemplar la existencia de corrientes con armónicas. Entre
otras se pueden mencionar las siguientes cargas no lineales:
a) Convertidores electrónicos.
b) Hornos de arco eléctrico usados en fundición de acero.
c) Circuitos magnéticos de máquinas y transformadores.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Fuentes de Armónicas
•
Saturación de transformadores
Corrientes de energización de transformadores
Conexiones al neutro de transformadores
Fuerzas magnetomotrices en máquinas rotatorias de corriente alterna
Hornos de arco eléctrico
Lámparas fluorescentes
Fuentes reguladas por conmutación
Cargadores de baterías
•
Compensadores estáticos de VAr’s
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Variadores de frecuencia para motores (“drives”)
Conve rtidores de estado sólido
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Dr. Armando Llamas Terrés
La definición básica de factor de potencia
es esencialmente la misma:
P(en watts )
f . p. =
VA(en volt − amperes )
Pero la forma de calcular cada uno de estos valores
cambia en la presencia de armónicas
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Factor de Potencia Total o Verdadero
Potencia Promedio
P, (W)
=
Potencia Aparente V I, (VA)
fp =
1
T
P
fp = =
S
1
T
T
∫0
T
∫0 v(t) ⋅ i(t) ⋅ dt
[v(t)] ⋅ dt ×
2
1
T
T
∫0
[i(t)] ⋅ dt
2
libro esmeralda página 31
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Dr. Armando Llamas Terrés
Potencia promedio con distorsión en voltaje y
corriente
P =
∞
∑
i = 1 , 2 , 3 ...
Vi Ii C os θ i
Donde Vi es el voltaje RMS de la armónica i
Ii es la corriente RMS de la armónica i
θι es el defasamiento entre la armónica i de voltaje y
la armónica i de corriente
Si solamente existen armónicas de corriente y el voltaje solo
tiene la componente de frecuencia fundamental la ecuación de P
se simplifica a:
P = V1 I 1 C o s θ 1
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Potencia aparente con distorsión en voltaje y
corriente
V A = Vs I s
do n d e V s =
∞
∑
2
i = 1, 2 ,3
(V i )
y
Is =
∞
∑
i = 1,2 ,3
( I i2 )
Si solamente existen armónicas de corriente y el voltaje solo
tiene la componente de frecuencia fundamental la ecuación de
VA se simplifica a:
VA = V1 I s
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
El factor de potencia cuando existen armónicas de
voltaje y corriente
∞
f . p. =
∑
i =1,2 ,3...
∞
∑
i =1,2,3
Centro de Estudios de Energía
Vi Ii Cos θ i
2
(Vi )
∞
∑
( Ii2 )
i =1,2,3
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Distorsión armónica sólo en corriente
Si solamente existen armónicas de corriente y el voltaje solo
tiene la componente de frecuencia fundamental la ecuación de
f.p. se simplifica a:
V1 I1 Cos θ1 I1
f . p.=
= Cos θ1
V1 I s
Is
El termino Cos θ1 es similar al que se tenia con cargas lineales y se
le llama factor de desplazamiento, pero ahora tenemos otro termino
que es la relación entre el valor RMS de la componente fundamental
y el valor RMS total de la corriente, al cual se le llama factor de
distorsión.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Factor de Potencia de Desplazamiento
• es la componente de desplazamiento del factor
de potencia
• es la relación de la potencia activa de la onda
fundamental, (W), a la potencia aparente de la
onda fundamental, (VA)
fp disp
V1 ⋅ I1 ⋅ cos( θ v1 − θ i1)
=
V1 ⋅ I1
fp disp = cos( θ v1 − θi1 )
libro esmeralda página 31
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Dr. Armando Llamas Terrés
Factor de Potencia de Distorsión
fp =
Potencia Promedio
P, (W)
=
Potencia Aparente V I, (VA)
fp = fpdisp × fpdist
fpdist
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fp
P
=
=
fpdisp VI ⋅ cos(θv1 − θi1)
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Dr. Armando Llamas Terrés
Distorsión Armónica Total
THD =
valor rms de la distorsión Idist
=
valor rms de la fundamental
I1
I22 + I23 + I24 + I25 +L+Ih2 max
THD =
2
I1
2
2
2
I  I  I  I 
I
THD =  2  +  3  +  4  +  5  + L +  h max
 I1   I1   I1   I1 
 I1
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2

 =

 Ih 
 
∑
h= 2  I 1 
h max
2
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Factor K
Indica la capacidad de un transformador para alimenta cargas no
senoidales sin sobrecalentarse
K
h = hmax
=
I2h
h =1
∑
⋅ h2
Ih es el valor efectivo de la corriente armónica h, en pu del valor
efectivo de la corriente total
Si se tienen los datos de las corrientes armónicas en pu de fundamental,
el factor K se puede calcular mediante la siguiente expresión
2
 I1 
K =  ⋅
 I
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h = h max
Ih2
h =1
∑
⋅ h2
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Con voltaje senoidal
fp dist =
VI ⋅ cos(θ v − θi1)
I
I1
P
= 1
= 1=
VI ⋅ cos( θv − θi1) VI ⋅ cos(θ v − θi1)
I I ⋅ 1 + THD 2
1
i
fp de distorsión
potencia reactiva
de desplazamiento
potencia de distorsión
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fpdist =
1
1 + THDi2
Q disp = VI1 ⋅ sin( θ v − θi1)
D = S2 − P 2 − Q2disp
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Potencia de distorsión
VOLTAJE SENOIDAL
S total
V
D
Ip
Qdisp
S fund
I dist
Iq
P
S2 = P 2 + Q2disp + D2
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Carga con Distorsión
Sin desplazamiento
Con desplazamiento
S
D
Qdisp = 0
S
D
P= S fund
Qdisp
S fund
P
S2 = P 2 + Q2disp + D2
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Dr. Armando Llamas Terrés
Efecto de las armónicas en Cables y
Conductores
•
Aumento en las pérdidas I2R por efecto piel, Rac > Rdc por
el aumento de la corriente en la periferia del conductor
(a) Corriente directa
(b) Corriente alterna de alta frecuencia
Densidad mínima
Densidad máxima
• Ejemplo de la variación del efecto piel en conductores
Tamaño del
conductor
300 MCM
450 MCM
600 MCM
750 MCM
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Resistencia AC / Resistencia DC
60 Hz
300 Hz
1.01
1.21
1.02
1.35
1.03
1.50
1.04
1.60
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Efecto de las armónicas en
Transformadores -1
•
Aumento en sus pérdidas:
1. Pérdidas I2R (efecto Joule)
2. Pérdidas por corrientes de eddy
h = h max
Pe = Pe, R
∑
h=1
2
I h  2
  h
I R 
Ih = corriente de la armónica h, en amperes
IR = corriente nominal, en amperes
Pe, R = pérdidas de eddy a corriente y frecuencia nominal
3. Pérdidas adicionales
h = h max
Pex = Pex, R
∑
h=1
2
Ih 
  h
I R 
Pe, R = pérdidas adicionales a corriente y frecuencia nominal
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Efecto de las armónicas en
Transformadores - 2
• En conexiones delta-estrella que alimenten cargas no
lineales monofásicas se puede tener:
a. Sobrecalentamiento del neutro por la circulación de armónicas
“triplen”
b. Sobrecalentamiento del devanado conectado en delta
• En caso de que alimenten cargas no lineales que
presenten componente de corriente directa es posible:
a. Aumento ligero en las pérdidas de núcleo o sin carga
b. Aumento en el nivel de sonido audible
c. Incremento sustancial en la corriente de magnetización
• Para los transformadores que alimenten a cargas no
lineales se recomienda:
a. Disminuir su capacidad nominal
b. Utilizar transformadores con factor K
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Transformadores con factor K
•
Diferencias entre transformadores convencionales y
transformadores con factor K:
a. El tamaño del conductor primario se incrementa para soportar las
corrientes armónicas “triplen” circulantes. Por la misma razón se dobla el
conductor neutro.
b. Se diseña el núcleo magnético con una menor densidad de flujo
normal, utilizando acero de mayor grado, y
c.
Utilizando conductores secundarios aislados de menor calibre,
devanados en paralelo y transpuestos para reducir el calentamiento por el
efecto piel.
•
Transformadores con factor K disponibles comercialmente
KKKKKK-
Centro de Estudios de Energía
4
9
13
20
30
40
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Efecto de las armónicas en los motores
•
•
•
•
Calentamiento excesivo por el aumento en todas sus
pérdidas
a. Pérdidas I2R en el estator: por el aumento de la corriente de
magnetización y por el efecto piel
b. Pérdidas I2R en el rotor: por el aumento en la resistencia
efectiva del rotor por el efecto piel
c. Pérdidas de núcleo: aumentan relativamente poco debido al
aumento en las densidades de flujo pico alcanzadas
d. Pérdidas adicionales: aumentan, pero son extremadamente
complejas de cuantificar y varían con cada máquina
Dependiendo del voltaje aplicado puede haber una reducción
en el par promedio de la máquina
Se producen torques pulsantes por la interacción de las
corrientes del rotor con los campos magnéticos en el
entrehierro
Menor eficiencia y reducción de la vida de la máquina
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Dr. Armando Llamas Terrés
Efecto de las armónicas en otros equipos
•
•
•
•
•
Barras de neutros
Calentamiento por la circulación de corrientes de secuencia
cero (armónicas “triplen”)
Interruptores
Los fusibles e interruptores termomagnéticos protegen en
forma efectiva contra sobrecargas por corrientes armónicas.
Su capacidad interruptiva no se ve afectada por armónicas
Bancos de capacitores
Se pueden tener problemas de resonancia serie o paralelo al
instalar bancos de capacitores en presencia de armónicas, lo
que ocasiona la operación de dispositivos de protección y el
daño o envejecimiento prematuro de los bancos
Equipos electrónicos sensitivos
Las armónicas pueden afectar la operación en estos equipos
Valores erróneos en los equipos de medición
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Convertidores de C. A. A C. D.
Ejemplos de convertidores de C. A. a
C. D. con generación de armónicas y
factor de potencia variable al cambiar
el voltaje promedio de salida.
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Convertidor completo monofásico
Se analizara el convertidor
completo monofásico de la
figura con una carga formada
por una resistencia (R), una
inductancia muy grande (L) y
una fuente de directa (E). Esto
podría representar la armadura
de un motor de C. D.
Debido a la inductancia grande la corriente por la carga
será continua y constante. Los tiristores al dispararse con
un atraso de ángulo α controlaran el voltaje promedio
aplicado a la carga.
Centro de Estudios de Energía
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Ing. Javier Rodríguez Bailey
Ondas de convertidor completo
α
α
Vdc =
2Vm
π
( Cosα )
f . p. = 0.9003 Cosα
Centro de Estudios de Energía
Vrms
is =
Vm
=
2
∞
4Ia
Sen(nwt − nα)
∑
n =1,3... nπ
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Vcd y f. p. y en convertidor completo
Convertidor completo monofásico
VCDnormalizado
F.P.
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
Centro de Estudios de Energía
15
30
45 Alfa 60
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
75
90
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Armónicas de convertidor completo
Para el convertidor monofásico se
tendrán los siguientes valores:
Fdist = =.9003
Fdesp = Cos α
F. P. = 0.9003 Cos α
I1 = 90.03%
I7=12.86%
I3= 30.01%
I9=10.0%
I5= 18%
THD= 48.34%
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M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Semiconvertidor monofásico
En el semiconvertidor mostrado
en la figura la carga será una
resistencia (R), una inductancia
muy grande (L) y una fuente de
directa
(E),
que
podría
representar la armadura de un
motor de C. D.
Por ser un semiconvertidor el voltaje en la carga no puede ser
negativo, y debido a la inductancia grande la corriente por la carga
será continua y constante. El voltaje promedio aplicado a la carga
se controla con el atraso α en la señal de disparo a los tiristores.
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Ondas de semiconvertidor monofásico
α
α
Vdc =
Vm
f . p. =
π
(1 + Cosα )
2 (1 + Cosα )
π (π − α )
Centro de Estudios de Energía
Vrms
is =
π − α + 0.5Sen(2α )
=
π
2
Vm
4Ia
n(π − α )
nα
Sen
Sen
(
nwt
)
−
∑
2
2
n =1,3.. nπ
∞
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Vcd y f. p. de semiconvertidor
monofásico
Semiconvertidor monofásico
Vcdnormalizado
F.P.
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
Centro de Estudios de Energía
30
60
90
Alfa
120
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
150
180
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Fdist, fdesp y f. P. de semiconvertidor
monofásico
Semiconvertidor monofásico
F.P.
Fdesp
Fdist
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
30
Centro de Estudios de Energía
60
90
Alfa
120
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
150
180
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Armónicas en semiconvertidor
monofásico
Armónicas en semiconvertidor monofásico
1
3
5
7
9
Is
THD
1.5
1
0.5
0
0
Centro de Estudios de Energía
30
60
90
Alfa
120
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
150
180
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Como mejorar el factor de potencia
en convertidores de C. A. a C. D
Para poder mejorar el factor de
potencia
se
usara
un
semiconvertidor con tiristores con
capacidad para encenderse y
apagarse (se puede usar GTO) y se
necesita agregar un diodo (DM)
para permitir que la corriente de la
carga pueda seguir circulando
cuando se apaguen los tiristores.
Para mejorar el factor de potencia se tienen varias opciones que
se describirán a continuación manteniendo la posibilidad de
control del voltaje promedio aplicado a la carga
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Opciones para mejorar f. P. en
convertidores.
Para mejorar el factor de potencia existen las
siguientes opciones:
a) Control del ángulo de extinción
b) Control de ángulo simétrico
c) Modulación de ancho de pulso uniforme
d) Modulación de ancho de pulso senoidal
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Ondas de control de ángulo de extinción
β
Vdc =
Vm
π
f . p. =
(1 + Cosβ )
2 (1 + Cos β )
π (π − β )
Centro de Estudios de Energía
β
π − β + 0.5Sen(2 β )
Vrms =
π
2
∞
n ( π − β)
4Ia
nβ
i =
Sen
Sen(nwt + )
Vm
s
∑
n =1,3...
nπ
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
2
2
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Ondas de control de ángulo simétrico
β
β
2Vm
Vdc =
Sen
π
2
2 2
β
f .p. =
Sen
2
πβ
Centro de Estudios de Energía
β
Vrms
Vm β + Senβ
=
π
2
4I a
nβ
is = ∑
Sen Sen nwt
n =1, 3.. nπ
2
∞
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Vcd y f.p de control de ángulo simétrico
Control de ángulo simétrico
VCDnormalizado
Fdesp
Fdist=F.P.
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
30
Centro de Estudios de Energía
60
90
Beta
120
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
150
180
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Armónicas de control de ángulo
simétrico
Control de ángulo simétrico
1
3
5
7
9
Is
THD
1.5
1
0.5
0
0
Centro de Estudios de Energía
30
60
90
Beta
120
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
150
180
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Ondas de modulación de ancho de
pulso uniforme
V
V
is =
∞
∑
n =1,3,...
dc
rms
=
p
Vm
π
= Vm
∑ [Cos α
m =1,2,...
1
2π
Cn Sen ( nwt )
Centro de Estudios de Energía
m
− Cos (α m + ∂ m ) ]
1
1


Sen
α
Sen
α
∂
+
−
+
∂
(2
)
(2
2
)
∑
m
m
m 
 m 2
2

m =1,2,...
p
2I
donde Cn = a
nπ
p
∑  Cos (nα
m =1,2
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
m
) − Cos ( n α m + n ∂ m ) 
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Vcd y f.p. de modulación de ancho de
pulso uniforme.
Modulación de pulsos uniforme
FDESP
FDIST=FP
VDCnormalizado
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Indice de modulación
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Armónicas de modulación de ancho de
pulso uniforme.
Modulación de ancho de pulso uniforme
1
3
5
7
9
IS
THD
2
1.5
1
0.5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Indice de modulación
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Ing. Javier Rodríguez Bailey
THD de modulación de ancho de
pulso uniforme
Comparación de THD
THD
THDhasta9
4
3.5
3
2.5
THD 2
1.5
1
0.5
0
0
Centro de Estudios de Energía
0.2
0.4
0.6
0.8
Indice de modulación
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
1
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Ondas de modulación de ancho de
pulso senoidal.
V
dc
V rms = Vm
is =
∞
∑
n =1,3,...
=
Centro de Estudios de Energía
π
1
2π
Cn Sen ( nwt )
p
Vm
∑ [Cosα
m =1,2,...
m
− Cos (αm + ∂ m )]
1
1


Sen
α
Sen
α
(2
)
(2
2
)
∂
+
−
+
∂
∑
m
m
m 
 m 2
2

m =1,2,... 
p
2 Ia
donde Cn =
nπ
p
∑  Cos (nα
m =1,2
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
m
) − Cos ( n α m + n ∂ m ) 
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Vcd y f. P. de modulación de ancho de
pulso senoidal
Modulación de ancho de pulso senoidal
Fdesp
Fdisp=FP
Vdctotal
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
Centro de Estudios de Energía
0.2
0.4
0.6
Indice de modulación
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
0.8
1
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Armónicas de modulación de
ancho de pulso senoidal.
Modulación de ancho de pulso senoidal
1
3
5
7
9
Is
THD
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
Centro de Estudios de Energía
0.2
0.4
0.6
Indice de modulación
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
0.8
1
Ing. Javier Rodríguez Bailey
THD de modulación de ancho de
pulso senoidal.
Modulación de ancho de pulso senoidal
THD
THDhasta9
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
Centro de Estudios de Energía
0.2
0.4
0.6
Indice de modulación
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
0.8
1
Ing. Javier Rodríguez Bailey
Capacitores y resonancia paralelo
jXsc
-jXc
V
NL
ΣIh
h = 1, 5, 7, ..
Circuito original
jXsc
V
jXsc . h
-jXc
NL
Σ Ih
I1
-jXc / h
h = 5, 7, ..
Circuito de 60 Hz
Centro de Estudios de Energía
Circuito de armónicas de 60 Hz
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Dr. Armando Llamas Terrés
Circuito de armónicas de 60 Hz
Z(h)
ωR =
jXsc h
1
LSC ⋅ C
-jXc / h
/ 1
Ih; h =
En resonancia:
Centro de Estudios de Energía
X SC h =
hr =
1
(120π ⋅ Lsc)(120 π ⋅ C )
hr =
Xc
=
Xsc
MVAsc
MVAr
XC
h
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Dr. Armando Llamas Terrés
Curvas de hr
hR =
1
VAsc
=
VAr
 VAr  VAt 



VAt
VAsc



VAr/VAt
0.5
0.4
hr = 15
0.3
hr = 13
0.2
hr = 11
0.1
hr = 9
0
0.020
hr = 7
0.040
0.060 0.080
0.100
0.120
0.140
hr = 5
VAt/VAsc
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Dr. Armando Llamas Terrés
Respuesta a la frecuencia con capacitor
Z(h)
jXsc h




1

Z ( h) = j (h ⋅ Xc) ⋅ 
Xc
 h 2 
Xsc 

-jXc / h
/ 1
Ih; h =
10
Z(h)
8
Xc
VASC
hR =
=
Xsc
VAR
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
h
hR
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Dr. Armando Llamas Terrés
25
200
0
0
-25
-200
-50
-400
0
0.01
0.02
0.03 0.04
Tie m po (s eg)
Corriente
Voltaje
90
400
45
200
0
0
-45
-200
-90
-400
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Tie m po (s eg )
corriente
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
voltaje
Dr. Armando Llamas Terrés
Voltaje (V)
400
Voltaje (V)
50
Corriente (A)
Corriente (A)
Corriente y voltaje en capacitores, carga no lineal
Filtros en Sistemas de Potencia
A
I
A
j Xsc ⋅ h
j
V
NL
Xc
h 2f
−j
⋅h
h = 1, 5, 7, ..
Σ Ih
Xc
h
B
B
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Dr. Armando Llamas Terrés
Respuesta a la frecuencia al instalar un filtro
A
j Xsc ⋅ h
Xc
j
h2f
−j
⋅h
Z(h)
Xc
h
B



 h ⋅ Xsc ⋅ Xc  
h 2 - h2f


Z(h) = j 
 ⋅
2
1
 Xsc ⋅ h f + Xc   h2 Xsc
1

+

Xc
h 2f










har
1
MVAr
1
+ 2
MVA sc
hf
h0 = hf
0.12
impedancia (ohms)
har =
0.08
0.04
0
0
2
4
hf
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
6
8
armónica
Dr. Armando Llamas Terrés
Resonancia en un filtro
200
400
200
50
100
200
100
0
0
-50
-100
-100
-200
0
90
180
270
Grados Eléctricos
Corriente (Amp)
100
0
0
-200
-100
-400
-200
0
Bien sintonizado, hf < 5
Centro de Estudios de Energía
90
180
270
Grados Eléctricos
Mal sintonizado, hf > 5
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Dr. Armando Llamas Terrés
Voltaje (Volts)
Voltaje
Voltaje (Volts)
Corriente (Amp)
Corriente
Resonancia
Transformador
Rectificador
CFE
Capacitor
Dimmer
ABB
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Dr. Armando Llamas Terrés
Medición de voltaje, corriente
y armónicas
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
Medición de voltaje,
corriente y armónicas
∼
Señal de
voltaje
Señal de
corriente
FLUKE
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
FIN
Centro de Estudios de Energía
M ódulo 4 Factor de potencia y armónicas
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