Transcript armonicos - Power Electronics

SOLUCIÓN BAJAS EN ARMÓNICOS
SERIE FREEMAQ
Febrero 2014
1
Causas de los armónicos
2
Efectos de los armónicos
3
Fórmulas Útiles
4
Estándares EMC – THD
5
Tec. Bajas en Armónicos
6
SD700FA AHF
Causa de los armónicos
Cargas Trifásicas:
 n = (k·6± 1): 5, 7, 11, 13, 21, ….
• Variador de frecuencia, rectificadores, Hornos
de arco eléctrico, …
• No generan armónicos tripleN.
• Los Filtros Activos de 3 hilos cancelan la
distorsión.
Cargas Monofásicas:
 TripleN & n = (k·6 ± 1): 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 …
• PC’s, faxes, dimmers, LED’s, cargas de
móviles , Máquinas de soldadura , etc…
• Provoca altas corrientes por el neutro
• Los armónicos tripleN se anulan con FA de 4
hilos
Donde:
k = 1, 2, 3, 4, 5...
EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS
 Redución del factor de Potencia. Pérdida e ineficiencia del
sistema eléctrico
 Pérdidas del conductor y calentamiento del transformador
(efecto piel - skin effect)
 Daños en los condensadores y resonancia. (corriente de alta
frecuencia circula a través de caminos de baja impedancia
sobrecargando los condensadores)
 Sobrecarga del conductor de neutro y transformador debido al
exceso de corriente de secuencia zero (tripleN)
 Sobrecalentamiento del motor. Secuencias de rotación
negativa en motores
 Disparos
de
las
protecciones
inesperadas
interruptores, relés , etc..)
 Fallo de generadores diesel en stand-by
(fusibles,
Voltaje
Corriente RMS
Potencia Aparente S= V ·I
FÓRMULAS ÚTILES
 Factor de desplazamiento (cos )
𝑃 (𝑘𝑊)
𝐷𝑃𝐹 = 𝑐𝑜𝑠 𝜑 =
𝑆 (𝑘𝑉𝐴)
 Distorsión Armónica Total de la corriente THDi (%)
𝑇𝐻𝐷 =
𝑛=∞ 2
𝑛=2 𝐼𝑛
𝐼1
 Factor de Potencia (PF)
𝑃𝐹 =
1
1 + 𝑇𝐻𝐷𝐼 2
· 𝑐𝑜𝑠 𝜑 =
 Potencia Aparente
𝑆𝑇 =
𝑃2 + 𝑄 2 + 𝐷 2
𝐼50𝐻𝑧
· 𝑐𝑜𝑠 𝜑
𝐼𝑟𝑚𝑠
FÓRMULAS ÚTILES
Centros de transformación
S (kVA), Zout (%), Vout (V)
Zsc
Línea Principal
L (m), Sección Cable(mm 2), Material (Cu or Al),
Conductores (#)
PCC
Zt
Transformador usuario
S (kVA), Zout (%), Vout (V)
IPC1
Zf’
IPC1
Sistemas de Distribución
(mm 2),
L (m), Sección Cable
(Cu o Al), Conductores(#)
Material
Zf2’
Zf2’’
Zf2’’’
IPC2
Cargas no lineales
IPC2
P (kW), H (%), cos φ
Zf3’
Cargas Lineales
P (kW), Cos φ
IPC3
IPC3
Zf4’
PCC: Punto acoplamiento común
IPC Punto de acoplamiento interno
Zf4’’
Zf4’’’
Evoulución del nivel THDu
Red Privada
Evolución del nivel de THDi
Red Pública
PCC
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM) | INTRODUCCIÓN
CEM
Compatibilidad Electromagnética
EMS
Susceptibilidad Electromagnética
Amplitud
CLASE AMBIENTAL
EMI
Interferencia Electromagnética
Nivel de Inmunidad del Dispositivo
Nivel de Inmunidad Mínimo
MARGEN DE COMPATIBILIDAD
Nivel de Emisión Máxima
Nivel de Emisión del dispositivo
Espectro frecuencia
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA | INTRODUCCCIÓN
CEM
Compatibilidad Electromagnética
EMI
Interferencia Electromagnética
EMS
Susceptibilidad Electromagnética

Baja
Frecuencia
Fracuencia
Media
F <150 kHz
150 kHz< f < 30MHz
 THD
 Flicker
 Conducido
Alta
Frecuencia
f > 30MHz
 Radiado
IEC61800-3





Radio Frecuencia
 Conducida
 Radiada
Sobretensión
Transitorios Eléctricos
rápidos
Descargas electrostáticas
THD
Caidas de tensión,
interrupciones
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM) | NORMATIVA
 Marcado CE variador de velocidad requiere el cumplimiento de la norma EMC
2004/108/CE
EMC 2004/108/CE
IEC61800-3
 EMC 2004/108/CE requiere el cumplimiento de la norma IEC61800-3
 IEC61800-3 establece que el fabricante deberá proporcionar el nivel de armónicos de
corriente en ciertas condiciones.
¿Niveles decompatibilidad?
IEC61000-2-2
IEC61000-2-4
 IEC61000-2-2: Redes públicas de
baja tensión
 IEC61000-2-4:
Instalaciones
Industriales y redes no públicas.
 VHD y THDv (%)individual en
función de la clase ambiental
definida.
IEC61000-3-4
IEC61000-3-12
 Redes públicas hasta 600V
 THD y PWHD hasta:
 IEC61000-3-4 <16A
 IEC61000-3-12 < 75A
THDv
IEEE519 - 1992
THDi
 Prácticas
recomendadas
y
requerimientos para el control de
los armónicos en Sistemas
eléctricos
 VHD y THDv (%) individual
dependen de Isc/IL
 CHD y THDI (%) individal
dependen de Isc/IL
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM)| IEC61800-2-4
CLASE
CLASE 1
CLASE 2
CLASE 3
DESCRIPCIÓN
THDv (%)
Ubicación donde el equipamiento es muy sensibles a las perturbaciones. Esta clase
corresponde a las redes protegidas y tiene niveles de compatibilidad que son más bajos
que el nivel del sistema de suministro público
5%
Esta clase se aplica generalmente a los PAC (Puntos de acoplamiento común) con el
sistema de suministro público y para IPC (Puntos Internos de acoplamiento) con los
sistemas de suministro industriales o de otro tipo de suministros privados.
8%
Esta clase sólo se aplica a los IPC (Puntos Internos de acoplamiento) en entornos
industriales. Cuenta con niveles de compatibilidad más altos para algunas variables de
perturbación que la Clase 2. Por ejemplo, esta clase debe ser considerado cuando se
aplica una de las siguientes condiciones:
• La parte principal de la carga se suministra a través de convertidores;
• Uso máquinas de soldadura;
• Motores de gran tamaño se ponen en marcha frecuentemente;
• Las cargas varían rápidamente
Nota: IEC61800-2-4 establece la distorsión armónica individual en tensión
10%
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM)| IEC61800-3-12
Límites actuales de las emisiones para el
equipo trifásico equilibrado < 76A
Corrientes armónicas individuales admisibles In/I1 (%)
Factores de distorsión de
corriente armónica
admisibles%
Rsce Mínimo
I5
I7
I11
I13
THD
PWHD
33
10.7
7.2
3.1
2
13
22
66
14
9
5
3
16
25
120
19
12
7
4
22
28
250
31
20
12
7
37
38
350
40
25
15
10
48
46
COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM)| IEE519 - 1992
Límite de distorsión de voltaje
individual y total en el PCC (THDv)
Isc/IL
Valores permitidos para
cada tensión armónica
individual
Límite de distorsión de corriente
individual y total en el PCC(THDi):
Orden Armónico
Usos Típicos
Clientes especiales con acuerdos
especiales
Isc/IL
<11
11≤h<17
17≤h<23
23≤h<35
35≤h
THDi
<20*
4.0
2.0
1.0
0.6
0.3
5.0
10
2.5 – 3 %
20
2.0 – 2.5 %
1 – 2 grandes cargas
20<50
7.0
3.5
2.5
1.0
0.5
8.0
50
1.0 – 1.5 %
Cargas de alto rendimiento
50<100
10.0
4.5
4.0
1.5
0.7
12.0
100
0.5 – 1 %
100<1000
12.0
5.5
5.0
2.0
1.0
15.0
1000
0.05 – 0.1 %
>1000
15.0
7.0
6.0
2.5
1.4
20.0
THD (voltaje)
5 – 20 cargas medias de salida
Un gran número de cargas de bajo
rendimiento
Aplicaciones
Especiales
Sistema General
Sistemas
dedicados
3%
5%
10%
Isc: Corriente máxima de cortocircuito @ PCC
IL : máximo consumo de corriente por la carga @ PCC
SD700 FREEMAQ FR
SD700 FREEMAQ FL
SD700 FREEMAQ FA
SD700 KOMPAKT
SD700
¿QUÉ DEBO HACER?
La selección apropiada de la tecnología se basará en los siguientes conceptos:
 Es nuevo el proyecto o no?
 Qué cantidad y cuál es la potencia individual de las fuentes de armónicos?
 Cuáles son los requisitos para la compensación de energía reactiva(cos )?
 Hay presencia de armónicos TripleN(3, 9, 15,…)?
TECNOLOGÍA MITIGACIÓN ARMÓNICOS
INDUCT. CC
INDUCT. 3%
MULTIPULSO
SD500, SD700F1&2
SD700 series
SD700 series 12,18,24p
THDi <35%
THDi <15%
THDi ≈ 40%
L1
L2
L3
L1
L2
FILTRO NOTCH
SD700 FREEMAQ FL
THDi <5%
AFE
SD700 FREEMAQ FR
THDi <4%
TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS| SD700 VARIADORES MULTIPULSO
 PE ofrece variadores de 12, 18, 24 pulsos
 Los rectificadores se desplazan 30º / 15º / 7,5º
 La armónicos de corriente generados son:
n = kp ± 1,
Dónde:
k = 1, 2, 3, 4, 5...
p = número de pulsos
12 pulsos;
18 pulsos;
24 pulsos;
11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49, …
17, 19, 35, 37, 53, 55, ….
23, 25, 47, 49,…
6p THDi ≈ 35%
12p THDi ≈ 15%
18p THDi ≈ 9%
24p THDi ≈ 5%
Considere que...
El THDi en el lado de baja tensión
del transformador seguirá siendo
35%(igual que en el variador de 6
pulsos)
TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS | PASSIVE TUNNED FILTERING
Zg
L1
L2
C1
C2
1st
5th
7th
Variación Impedancia de red (Zg)
f5th
f7th
 Filtros Sintonizados diseñados para eliminar 5ºor
7º armónico con una determinada impedancia de
red fija (Zg)
 Variación en Zg → Aumento THDi
 Variación en Zg → Puede causar Resonancia
 Valido para instalaciones originales, las ampliación
modifican las condiciones de diseño del filtro
1st
5th
7th
TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS | SD700FL FILTRO NOTCH
L1
L2
Zg
L3
C1
SD700FL
1st
5th
7th
 THDi < 5%, por debajo de los límites establecidos en IEEE519 para todos ISC / IL.
 Filtros Notch LCL diseñado para atenuación de armónicos general e independiente de la
impedancia de red (Zg)
 Variación en Zg → No afecta a THDi . ZL1>> Zg
 Construido con componentes eléctricos robustos
 Nunca causa resonancia
TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS| SD700FR VARIADOR REGENERATIVO
L1
L2
Zg
C1
SD700FR
 THDi < 5%, por debajo de los límites definidos en IEEE519 para todos ISC / IL.
 Cos Φ = 1.0 ajustable a cualquier condición de carga
 Regeneración de Energía para ahorrar y crear registros de Energía
 Tensión de motor constante frente a caidas de tensión de entrada gracias al control de tensión de
bus CC.
 Menor cableado y ahorro considerable de espacio
 Sin coste de instalación adicional
TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS| SD700FA FILTRO ARMÓNICO ACTIVO
SD700FA
Variadores de 6 pulsos y
otras fuentes de distorsión
 Funciona como una fuente de corriente monitorizando la corriente de carga o la corriente de línea
en el punto de interconexión, e inyecta la onda de corriente inversa que cancela la distorsión
armónica
 THDi control de todas las cargas: Cancelación armónica selectiva o cancelación total del espectro
de armónicos a cualquier condición de carga
 Cos Φ = 1.0: Permite el control dinámico del factor de desplazamiento.
 Solución competitiva y compacta para instalaciones existentes.
 La centralizacion de la cancelación de corrientes armónicas permite soluciones más competitivas.
SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS| CONEXIÓN
 Una configuración en lazo abierto mide la corriente de la carga e inyecta corriente armónica
inversa que cancela la distorsión armónica
 Una configuración en lazo cerrado mide la corriente de línea en el punto de interconexión e
inyecta armónicos de corriente opuestos hasta alcanzar el valor deseado por el usuario.
SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | ALGORITMO SELECTIVO
=
+
 Estableciendo la cancelación selectiva de armónicos usted
será capaz de compensar en perfecta oposición de fase hasta
6 armónicos individuales simultáneamente hasta el orden 25º
armónico (Dependiendo de la frecuencia de conmutación).
 El usuario puede configurar el contenido final de cada
armónico en %.
H5
H7
H11
H13
H17
…
10%
10%
4.5%
4.5%
4%
…
SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | CANCELACIÓN TOTAL
+
 Estableciendo el algoritmo de cancelación total del espectro
de armónicos, la unidad no se centrará en un orden de
armónico específico. Cualquier armónico se cancelará
mediante la inyección de una onda en oposición de fase que
resulta de restar la onda fundamental de (50Hz).
=
SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | ARMONICOS DE SECUENCIA CERO
 Los armónicos de secuencia cero o tripleN son los armónicos impares múltiplos de 3
(3,9,15,…) causados por las cargas monofásica (soldadores monofásicas, iluminación de bajo
consumo, ordenadores, etc..)
 Los armónicos TripleN circulan en fase por las tres lineas. Puesto que la corriente en el neutro
es igual a la suma de las corrientes en las lineas, la corriente de neutro es In = 3 · I3
 SD700FA no tiene conexión de neutro y no filtra los armónicos de secuencia cero. Por lo tanto,
se deben utilizar otras técnicas de filtrado como: transformador estrella-triángulo, Inductancia
Zig-Zag, filtros 4 hilos.
SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | SELECCIÓN
 SD700FA es un Filtro Activo de Armónicos de 3 hilos (FAA)
con un rango desde 100A a 630A. La capacidad del equipo se
expresa en corriente RMS.
 El valor de corriente RMS de un determinado espectro de
armónicos se calcula con la siguiente fórmula:
𝐼𝑅𝑀𝑆 =
𝐻5 2 + 𝐻7 2 + 𝐻11 2 + 𝐻13 2 + ⋯ + 𝐻49 2
Por ejemplo:
H1 = 300Arms
H5 = 60%
=180Arms
H7 =43%
=129Arms
𝐼𝑅𝑀𝑆 =
H11 =25%
H13 =17%
=75Arms
=51Arms
1802 + 1292 + 752 + 512 = 239𝐴𝑅𝑀𝑆
SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | SELECCIÓN
 SD700FA puede realizar al mismo tiempo, la compensación de energía
reactiva mediante la inyección de corriente reactiva o inductiva
 En comparación con los bancos de condensadores tradicionales, la
compensación de reactiva del filtro SD700FA es continua, rápida y
suave (no hay transitorios de conmutación).
 La capacidad en corriente reactiva del filtro se añade a la capacidad
requerida en armónicos. El nuevo rango de corriente reactiva se calcula
de la siguiente manera.
𝑄𝐹 = 𝑃 · tan 𝜑 − tan 𝜑 ′ = 124𝑘𝑉𝐴𝑟
Por ejemplo:
P = 800kW
Ul = 400V
DPF = cos φ = 0.90
DPF’ = cos φ’ = 0.95
IARMS_ARM=239A rms
𝐼𝑅𝐸𝐴𝐶𝑇 =
𝑄
3·𝑈
𝐼𝐻𝐴𝑅𝑀 +𝑅𝐸𝐴𝐶𝑇 =
𝐼𝐻𝐴𝑅𝑀 +𝑅𝐸𝐴𝐶𝑇 =
=
124𝑘𝑉𝐴𝑟
3 · 400
= 179 𝐴𝑟𝑚𝑠
𝐼𝐻𝐴𝑅𝑀𝑂𝑁𝐼𝐶𝑆 2 + 𝐼𝑅𝐸𝐴𝐶𝑇𝐼𝑉𝐴 2
1792 + 2392 = 298 𝐴𝑟𝑚𝑠
SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | MODO DE OPERACIÓN
 La prioridad determina la distribución de
corriente del filtro SD700FA dentro de las
funciones disponibles
 ARMONICOS: El SD700FA inyecta
corriente armónica hasta los valores
prefijados (% Hi o% Iarms). Una vez que
se alcance, la capacidad restante se
puede utilizar por la siguiente prioridad.
PRIORIDAD
HRH
HHR
HR
1st
Armónicos
Armónicos
Armónicos
2nd
Reactiva
Máx. Armónicos
Reactiva
3rd
Máx. Armónicos
Reactiva
 REACTIVA: El SD700FA inyecta corriente
reactiva que intentando alcanzar el cos φ
preestablecido. Como anteriormente, la
capacidad restante se puede utilizar para
la siguiente prioridad.
 MAX. ARMONICOS: Si se cumplen los
niveles de armónicos establecidos, y hay
capacidad de corriente restante. El
SD700FA puede seguir inyectando
corriente armónica con el fin de cancelar
completamente los armónicos
Nivel pre-establecido
POWER ELECTRONICS
Gracias por su atención
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