Eaton Flash: Soluciones de factor de potencia que abordan los armónicos
AUTOVAR detuned filter
Los armónicos y el factor de potencia están estrechamente vinculados. Discutiremos de las siguientes soluciones armónicas relacionadas con el factor de potencia (FP) y la resonancia armónica:
- Filtros armónicos sintonizados
- Filtros armónicos desintonizados (por ejemplo, AUTOVAR detuned filter)
Teniendo en cuenta que un banco de condensadores convencional (sin reactores) podría formar un circuito de resonancia (“resonancia armónica paralela”) junto con la inductancia de la línea de alimentación (principalmente el transformador de entrada), se debe verificar cuidadosamente que la frecuencia resonante (“punto resonante”) de esta combinación LC en cada estado de conmutación de un banco automático multietapa no provoque una amplificación de la corriente resonante.
La experiencia muestra que la frecuencia autor resonante de un circuito de este tipo está típicamente entre 300 y 600 Hz (60Hz fundamental) y, por lo tanto, en la región de los armónicos de orden 5to y 7mo.
La resonancia es la tendencia de un sistema a oscilar con amplitudes crecientes en algunas frecuencias de excitación.
En un circuito eléctrico, existe resonancia cuando la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva son de igual magnitud, provocando que la energía eléctrica oscile entre el campo magnético del inductor y el campo eléctrico del capacitor. La resonancia puede ser en serie o en paralelo; más abajo se detalla cada una de ellas.
Recuerde que la reactancia inductiva aumenta a medida que aumenta la frecuencia del sistema de potencia y la reactancia capacitiva disminuye a medida que aumenta la frecuencia del sistema de potencia mediante las siguientes ecuaciones:
Donde:
XL = reactancia inductiva en ohmios
XC = reactancia capacitiva en ohmios
f = frecuencia del sistema de potencia en Hz
L = inductancia del componente en Henrios
C = capacitancia del componente en Faradios
A la frecuencia fundamental 60 Hz, los componentes capacitivos tienen una impedancia mucho mayor que los componentes inductivos.
Entonces cuando se utilizan bancos de condensadores convencionales para mejorar el factor de potencia (“PFC sin reactores”), se puede dar la resonancia armónica cuando la condición resonante ocurre en un armónico asociado con cargas no lineales presentes en el sistema; provocando altos niveles de voltaje armónico y distorsión de corriente.
La resonancia armónica puede provocar los siguientes efectos no deseados:
- Sobrecarga de condensadores
- Sobrecarga de transformadores y equipos de transmisión
- Interferencia con sistemas de medición y control, computadoras y equipo electrónico
- Elevación de resonancia severa, es decir, amplificación de armónicos
- Elevaciones peligrosas del voltaje
- Molestias en protecciones: Fusibles fundidos e interruptores automáticos disparados
Desafortunadamente, la resonancia armónica es un problema que se corrige solo cambiando los puntos resonantes y desafinando o desintonizando el circuito. Evitar la resonancia es un desafío, pero es posible.
Estos fenómenos de resonancia se pueden evitar conectando bancos de condensadores en serie con reactores de filtro, produciendo así un circuito resonante en serie especial llamado típicamente filtro desintonizado. Como regla general, la frecuencia resonante se diseña/selecciona para que esté por debajo de la frecuencia armónica más baja (en este ejemplo, generalmente la 5ta armónica) presente en el sistema.
Por debajo de esta frecuencia, el sistema actuará de forma capacitiva y compensará la potencia reactiva a 60 Hz. Por encima de esta frecuencia, sin embargo, el sistema PFC con reactores o filtro desintonizado actúa de forma puramente inductiva y se evita la resonancia armónica en todo el sistema.
En caso de contenidos armónicos extremos (por ejemplo, THD-V por encima del 10 %), este método de extraer los armónicos a través del sistema PFC ya no es posible ya que los condensadores estarían muy sobrecargados.
Beneficios de un filtro desintonizado o desafinado:
- Reducir la potencia reactiva extraída de los servicios públicos de energía, reducción de los costos de electricidad.
- Reducción de armónicos de tensión y la distorsión de corriente.
- Evitar la resonancia.
- Maximizar el uso de la potencia aparente (kVA).
- Estabilidad del voltaje de la fuente de suministro.
- Mejora general de la calidad de la energía.
- Mayor vida útil de los equipos.
- Costo de mantenimiento reducido
- Minimizar las emisiones de CO2 al reducir pérdidas de energía.
Un filtro desintonizado es un sistema de corrección del factor de potencia en el que se utiliza una combinación de reactores/condensadores para reducir los armónicos mediante la creación intencional de espectros mínimos de impedancias a frecuencias específicas y adicionalmente ofrecer protección a los condensadores. A diferencia del filtro sintonizado, la frecuencia del filtro LC se establece a una distancia cómoda de las frecuencias resonantes de los armónicos predominantes (4.2vo para 5to armónico) para evitar la sobrecarga de los condensadores debida a la resonancia. El efecto de un filtro desintonizado es, por lo tanto, menor que con el filtro sintonizado, pero sigue siendo suficiente para la mayoría de las aplicaciones comerciales e industriales. Hay que tener en cuenta que el 3r armónico y sus múltiplos (tripletas) no se pueden filtrar con esta solución.
En un PFC con reactores, la frecuencia del filtro desintonizado (frecuencia de resonancia en serie “fr”) es usualmente expresada en %, como la relación entre las reactancias del reactor XL y el condensador XC, conocido como un factor de desintonización p. Este factor p determina la frecuencia de resonancia en serie entre el reactor y el condensador, que a su vez es importante para el efecto de bloqueo y filtrado.
Donde:
fr = frecuencia de resonancia en serie del filtro en Hz
fN = frecuencia del sistema de potencia en Hz
p = factor de desintonización
Primero se debe especificar un filtro armónico por la cantidad de corrección del factor de potencia de 60 Hz requerida (kVAR requeridos) y luego especificar el punto de sintonización o frecuencia del filtro desintonizado fr (normalmente 4.7vo armónico para filtros sintonizados o 4.2vo armónico para filtros desintonizados (p=5.67%)). Luego, con base en mediciones o estimaciones, determine si el filtro se sobrecargará con corrientes armónicas.
Con un filtro desintonizado, los condensadores están protegidos de las corrientes armónicas de esta manera, y aunque no se obtiene un gran efecto de filtro para la red eléctrica, los condensadores no se sobrecargan y, por lo tanto, pueden corregir el factor de potencia.
En resumen, en un sistema PFC desintonizado, el reactor del filtro de armónicos está conectado a un condensador en serie. Esta combinación L-C está diseñada para mantener la frecuencia del filtro por debajo de la frecuencia armónica más baja. El sistema PFC con reactores o filtro desintonizado se comporta entonces como un circuito inductivo para todas las frecuencias armónicas superiores y capacitivo para las frecuencias armónicas inferiores.
La desintonización evita resonancias, mantiene el voltaje en los condensadores dentro de los límites especificados y, al mismo tiempo, tiene un efecto positivo en la calidad de la energía. La disminución del nivel de THD-V también tiene un impacto positivo en la esperanza de vida de otros dispositivos eléctricos y electrónicos y, por lo tanto, reduce la inversión necesaria para el mantenimiento.
Los condensadores utilizados en los filtros armónicos deben tener una clasificación de tensión superior a la nominal. Generalmente, se utilizan condensadores de 550 V o 600 V en filtros de 480 V debido a que la conexión en serie del condensador y el reactor provoca un aumento del voltaje de estado permanente en los terminales del condensador (incluso si no hay armónicos presentes), pero también pueden darse voltajes pico más altos en los condensadores debido a los armónicos que fluyen en el filtro.
La siguiente fórmula muestra el voltaje en los terminales del condensador utilizado en el filtro armónico con el cual seleccionar un condensador adecuado para esta aplicación:
Donde:
UC = Voltaje en los terminales de un condensador en un filtro armónico en volts
UN = Voltaje nominal del sistema de potencia en volts
p = factor de desintonización
En filtros de bajo voltaje, es común especificar los condensadores en función de la potencia en kVAR del dato de placa al voltaje aplicado (por ejemplo, kVAR a 480 V, incluso si se utilizan condensadores de 600 V), ignorando el aumento de los kVAR por el efecto de los reactores de filtro (mayor voltaje en los terminales del condensador).
Por ejemplo, el voltaje en los terminales de un condensador de un filtro desintonizado con una frecuencia de resonancia en serie de 4.2 orden armónico (p=5.67%) y con un voltaje nominal a 480V seria de 509V aproximadamente (sin tomar en cuenta armónicos). De ahí que generalmente se utilicen condensadores con voltajes nominales máximos de 600V.
Resonancia Serie (“Filtro Accidental”)
La combinación en serie de la impedancia es:
Dado que XL y XC tienen signos opuestos, la suma puede ser igual a “cero” si XL = XC.
Igual que en la paralela, el único factor limitante es la diferencia de resistencia entre los condensadores y los reactores.
Una resonancia serie presenta una baja impedancia a los armónicos inyectados en o cerca de la frecuencia resonante, creando un camino muy atractivo para las corrientes armónicas a esas frecuencias desde el punto de vista de la carga (“filtro accidental”).
Los filtros armónicos son intencionalmente “resonantes en serie” a una frecuencia fija para atraer corrientes armónicas y, en consecuencia, reducir la distorsión armónica de voltaje. Por el contrario, una resonancia en serie no controlada generalmente da como resultado una operación “molesta” de los fusibles o el disparo de los interruptores automáticos, así como posibles fallas en los condensadores. Por consecuencia un filtro armónico que opere en o cerca de una frecuencia resonante implica el peligro de picos de corriente y daños a los componentes del sistema.
Resonancia Paralela (“Amplificador”)
La combinación paralela de impedancia es:
Como XL y XC tienen signos opuestos, el denominador puede ser igual a “cero” si XL = XC.
En realidad, el único factor limitante es la diferencia de resistencia entre los condensadores y los reactores.
Una resonancia paralela presenta una alta impedancia a los armónicos inyectados en o cerca de la frecuencia resonante, amplificando así los armónicos en estas frecuencias. Puede causar problemas solo si existe una fuente de armónicos en esa frecuencia o cerca de ella. Esto es más probable cuando el banco de condensadores es conmutado con múltiples pasos, pueden existir varias frecuencias de resonancia posibles.
La frecuencia resonante de un sistema, en el secundario de un transformador, se puede estimar con las siguientes fórmulas.
Donde:
h = armónico sintonizado del sistema eléctrico
XC = impedancia capacitiva de todos los condensadores conectados a la barra secundaria del transformador
XL = impedancia inductiva del transformador (más la impedancia inductiva de la fuente primaria, si se conoce)
Esta segunda fórmula es una versión simplificada de la primera fórmula, utilizando solo la impedancia del transformador como XL (generalmente es una suposición razonable).
Donde:
kVA transformer = kVA del transformador
Z transformer = Impedancia en % del transformador
k var = Posible potencia reactiva en kVAR del banco automático con múltiples pasos; pueden darse varios puntos resonantes posibles.
Por ejemplo, un transformador de entrada de 1500 kVA con una impedancia de 5% y un banco automático de 12 pasos de 50kVAR con un total de 600 kVAR.
Por lo tanto, cualquier carga no lineal que genere corriente armónica del 7mo armónico en el sistema será amplificada por la condición de resonancia paralela. En este caso, sería recomendado un filtro desintonizado (fr de 4.2mo orden armónico, inclusive 4.7mo orden armónico conociendo que no haya cargas no lineales generadoras de 5to orden armónico), similar al modelo 600THFSR432Y de EATON con el fin de evitar resonancia paralela con armónicos de 7mo orden armónico presentes en el sistema de potencia, lograr corrección del factor de potencia y proteger a los condensadores de ser sobrecargados. Para más información de bancos Eaton ver https://tinyurl.com/34hmky2x
Como regla de general, en sistemas de 480 Vca y 600 Vca, evitar la resonancia paralela por debajo del 7.8to armónico (para mantenerse alejado del 5to y el 7to orden armónico) y entre el 10.3vo y el 13.6vo orden armónico (para evitar los 11vo y 13vo armónico). Debido a que este es un cálculo estimado, un cambio en la impedancia de la fuente o el tamaño del banco de condensadores cambiará el punto resonante paralelo y podría ser problemático.
Cuando se discuten temas de armónicos y corrección de factor de potencia, la discusión puede volverse un poco confusa donde las personas pueden sentirse confundidas y no saber por dónde empezar. Siga estos pasos generales:
- Realice un cálculo de resonancia. Esto es necesario para cada paso de un banco con múltiplos etapas cambiado automáticamente. Es decir, haga el cálculo de resonancia para cada cantidad posible de capacitancia o valor posible de kVAR. Como se mencionó anteriormente, esto se puede hacer fácilmente con una hoja de cálculo.
- Si la resonancia armónica no está cerca de los armónicos característicos de las cargas productoras de armónicos típicas (5, 7, 11, 13, etc. armónico), aplique bancos de condensadores convencionales (sin reactores/sin filtrado).
- Si la resonancia armónica está cerca de los armónicos característicos, considere filtros sintonizados (sintonizado 4.7to armónico), filtros desintonizados (sintonizados 4.2to armónico) o quisa sea necesario un estudio adicional.
- Si hay cargas tipo rectificadores o variadores extremadamente pesados, los filtros pasivos podrían sobrecargarse. Un estudio más profundo posiblemente sea necesario.
Si la corrección del factor de potencia es el objetivo final (en lugar de filtrar las corrientes armónicas con un filtro armónico sintonizado), se pueden aplicar filtros “desafinados o desintonizados”, 4.2to armónico, por ejemplo. Esto reduce el efecto de filtración del filtro, pero da como resultado una solución más “plug and play” porque no tiene que preocuparse por sobrecargar el filtro. Sin embargo, aún se filtrará una cantidad pequeña pero significativa de corriente de la 5ta armónica, al igual que un filtro sintonizado en la 5ta armónica, pero también proporcionará algún filtrado en frecuencias más altas, como 7mo, 11vo, 13vo, etc. orden armónico.
En otras palabras, si le preocupan los armónicos y la resonancia, considere filtros armónicos sintonizados o desintonizados, fijos o conmutados en lugar de instalar bancos de condensadores estándar fijos o conmutados.
Los filtros sintonizados corregirán el PF y atraerán más armónicos; mientras que los filtros desintonizados proporcionan corrección del PF, pero sin atraer armónicos significativos, protegiendo el filtro de sobrecargas (condensadores) y controlando o evitando la resonancia armónica.
El uso de un filtro sintonizado con lleva obligatoriamente a un análisis preciso de la calidad de la energía ya la resonancia en serie de estos filtros está cerca del orden de las corrientes armónicas a reducir. Tales filtros deben ser diseñados por especialistas porque las grandes reducciones de armónicos también pueden conducir a grandes corrientes que fluyen a través de los condensadores sobrecargándolos, generando un alto riesgo de daño en los equipos.
Para obtener más información sobre estos y otros temas relacionados, comuníquese con DavidVCastro@eaton.com