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M G E U P S S Y S T E M S E S P A Ñ A, S. A.La amenaza de los armónicos y sus soluciones - Página 1

Angel Alberto Pérez Miguel - 09/04/2000 -T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R

www.mgeups.com

LA AMENAZA DE LOS ARMONICOS

Y SUS SOLUCIONES

Angel Alberto PEREZ MIGUEL


Angel Alberto Pérez Miguel - 09/04/2000 -

¿Qué son los

armónicos?

¿Qué son los

armónicos?



¿Que son los armónicos?¿Que son los armónicos?

Carga lineal :– Una carga se dice "lineal" cuando la corriente

que ella absorbe tiene la misma forma que latensión que la alimenta. Esta corriente notiene componentes armónicos.

• Ejemplo : resistencias de convectores,cargas inductivas en régimen establecido(motores, transformadores ...) .

Carga no lineal o deformante :– Una carga se dice "no lineal" cuando la

corriente que ella absorbe no es de la mismaforma que la tensión que la alimenta. Estacorriente es rica en componentes armónicosdonde su espectro será función de lanaturaleza de la carga.

• Ejemplo : alimentaciones R C D, motoresde arranque, entrehierro del transfo..

Las cargas lineales y no lineales.Las cargas lineales y no lineales.

U

I

U

I

ϕ



Carga linealCarga lineal

Ángulo

Ángulo

Onda de Tensión

Onda de Corriente

Tensión

Corriente

Carga Lineal



Carga linealCarga lineal

CorrienteSenoidal

Carga compuesta sólopor elementos “lineales”

TensiónSenoidal

Una carga se dice lineal cuando ante una tensión de entrada senoidal, la corriente consumida por dicha carga también es senoidal.



Motor de inducción:Su circuito electrico equivalente es una combinación seriede una resistencia y una bobina.

L

IR IL

R LIT

Ejemplos de carga linealEjemplos de carga lineal



Carga no linealCarga no lineal

Ángulo

Ángulo

Corriente

Tensión

Onda de Tensión

Onda de Corriente

Carga no Lineal



Carga no linealCarga no lineal

CorrienteNo Senoidal

Carga con elementos “lineales” y “no lineales”

Señal tomada con un Fluke 43

TensiónSenoidal

Una carga se dice no lineal cuando ante una tensión de entrada senoidal, la corriente consumida por dicha carga no es senoidal.



Ejemplos de cargas no linealesEjemplos de cargas no lineales

Cargas no lineales



Descomposición armónicaDescomposición armónica

-1.100

0.000

1.100

0 90 180 270 360

Fundamental

3er armónico

5º armónico



Rango y secuenciaRango y secuencia

Orden es el número entero que determina cuantas veces mayor es la frecuencia de ese armónico con respecto a la componente fundamental.

Ej: Armónico de orden 3, o tercer armónico es el armónico cuya frecuencia es de 3*50 = 150Hz

Orden 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Frecuencia (Hz)50 100 150 200 250 300 350 400 450Secuencia + - 0 + - 0 + - 0



Efectos de los armónicosEfectos de los armónicos

Corriente en el Neutro > Corriente de FaseSobrecalentamiento de los conductores de Neutro



Armónico 3ºArmónico 3º

I H3 generado por todas las cargas no linealesmonofásicas (alumbrado, micro y mini informática, ...).El conductor de neutro transmite 3x i H3 y lascorrientes del desequilibrio de la instalación.Según la IEEE 1100-1992 la sección del conductor de neutro debe ser adaptado (1,73 veces la sección de las fases para las alimentaciones del tipo R C D).El régimen de neutro deberá ser preferentemente TNS mejor que TNC.

Neutro

-150-100-50

050

100150

Fases

-100

-50

0

50

100Fases I1

I2I3

In = 0

i1 (H3)i2 (H3)i3 (H3)

in = 3.i H3




Sobrecalentamientos en conductores por corrientesde alta frecuencia. Efecto Piel




DisparosDisparos inesperadosinesperados en en loslos interruptoresinterruptores y y diferencialesdiferenciales




Los condensadores forman circuitos resonantes con las inductancias dela instalación, amplificando las corrientes armónicas



Efecto sobre los condensadoresEfecto sobre los condensadores

f (Hz)0

⎜z⎜(Ω)

Xc -jC w= ⋅

f (Hz)

⎜z⎜(Ω)

Xred UScc= 2

X w L= ⋅




Los condensadores no generan armónicosLa presencia de condensadores puede amplificar los armónicos generados por otras cargas.

Batería de condensadores

~=

~=

TransformadorMT/BT

Generadores de armónicos (Gh)

Iarmónicas

M




U=5 V

450 Hz

Los paneles electricosvibran con una

frecuencia audible- Tensión neutro-tierra > 0

Acoplamiento con la línea telefónica




Sobrecalientamiento de los devanados por las altas frecuenciasSobrecalentamiento del núcleo por las corrientes parásitas (≈ f2)Pérdida de rendimiento por los armónicos de secuencia negativa



SíntomasSíntomas

Observaciones superficiales realizadas en las instalaciones eléctricas ponen en evidencia los fenómenos siguientes :

ruidos y vibraciones en los cuadros y en los elementos electromagnéticos tales como transformadores, motores, etc...calentamiento suplementario de los transformadores, alternadores, baterías de condensadorescalentamiento de los conductores de fase y sobre todo del neutrodisfunciones y perturbaciones en equipos sensiblesdisparos intempestivos de ciertas proteccionesflicker en el alumbrado y pantallas ( vídeo, informática...)deterioro del factor de potencia.

Todo ello se traduce en corrientes armónicas importantesLa calidad de la energía, no es adecuada a sus necesidades.



las pérdidas en Julios : Para cada corriente armónica, el efecto piel aumenta la resistencia R de los arrollamientos . Las pérdidas en Julios

las pérdidas en el hierro :debido a la suma de las pérdidas por histéresis (prop. de la F) y de las pérdidaspor corrientes de Foucault (prop. del cuadrado de la F). Las pérdidas en el hierro

desclasificación :las corrientes armónicas aumentan la corriente eficaz global.la norma NFC 52-114 permite calcular el coeficiente de desclasificación k .

Las corrientes armónicas tienen que ver con los efectos en :desclasificación !

La tasa de distorsión en tensión (influencia de Zs) :la impedancia interna aumenta con la frecuencia. La THDU

P cu R I eficaz. . .= 2

Los transformadoresLos transformadores

Ejemplo : un transformador de 1000 kVA alimenta un puente rectificador exafásico generando : H5 = 25%, H7 = 14%, H11 = 9%, H13 = 8% . Determinación del coeficiente de desclasificación : k = 0,91La potencia aparente del transformador estará limitada a 910 kVA !...



Como medir en las

instalaciones

Como medir en las

instalaciones



Equipos de medida para señales armónicasEquipos de medida para señales armónicas

TIPO OndaSenoidal

OndaCuadrada

OndaDistorsionada

Correcto 10 % elevado

Correcto Correcto

40 % bajo

Correcto(dentro del rango

especificado)

PROMEDIO(AVG)

VERDADEROVALOREFICAZ(TRMS)



Instrumentación de valor promedioInstrumentación de valor promedio

220 Vac

x 1,11

0 450

220

Valor promedio

ac

dc

Señal senoidalVeff/Vmedio 1/2 periodo = 1.11

CF = 1.414



Instrumentación de valor promedioInstrumentación de valor promedio

220 Vac

x 1,11

0 450

220

Valor promedio

ac

dc175

¡Con formas de onda no senoidales puede provocar errores de hasta el 40%!



Instrumentación de verdadero valor eficazInstrumentación de verdadero valor eficaz

220 Vac+-

+V

-V

Detector de verdadero AC

0 450

220

Valor TRMSVac Vdc

R R

Vrms: Tensión en alterna que produce la misma potencia disipada en unaresistencia que una tensión Vdc en continua.



Valor eficaz / Valor medioValor eficaz / Valor medio

Señal 1

-400,00-300,00-200,00-100,00

0,00100,00200,00300,00400,00

Señal 3

-400,00-300,00-200,00-100,00

0,00100,00200,00300,00400,00

Señal 6

-400,00

-200,00

0,00

200,00

400,0040 A

0 A

- 40 A

Verdadero Valor Eficaz Valor medio

Factor de forma (Veff/Vmedio)

Factor de cresta (CF) Error

Señal 1 22,0 A 22, 0 A 1,11 1,41 0%Señal 3 21,3 A 19,5 A 1,21 1,46 9%Señal 6 16,8 A 12,4 A 1,5 1,86 26%











Algunas nociones a

tener en cuenta

Algunas nociones a

tener en cuenta



Valor eficazValor eficaz

El valor eficaz de una señal periódica no sinusoidal es igual a :

H1 = componente fundamental. H2, ..., Hn = componentes armónicosEl valor eficaz es también llamado valor RMS ( Root Mean Square ).

* Ejemplo de calculo :- Cálculo de la corriente eficaz absorbida por una carga monofásica tipo informática:

I fundamental = 56,2A - IH3 = 27,2A - IH5 = 2,7A - IH7 = 9,2A - IH9 = 7,8A.

= 63,6 A .I eficaz = + + + +56 22 27 22 2 72 9 22 7 82, , , , ,

Valor eficaz = H H Hn+ + +12 22 2...Valor eficaz armónico = H Hn+ +22 2...

= 29,9 A .I eficaz armónica = + + +27 22 2 72 9 22 7 82, , , ,



Distorsión armónicaDistorsión armónicaTasa de distorsión armónica :Es el resultado del valor eficaz de las armónicos respecto alvalor eficaz de la fundamental (definición CIGRE)

H 1THDF H H Hn% ...= ×

+ + +100 2 32 2 2

Tasa individual de armónicos :Es el resultado del valor eficaz de un armónico de rango "n"respecto al valor eficaz de la fundamental

THDR H H Hn% ...= ×+ + +100 2 32 2 2

Valor eficaz

Hn

HTHDFn % =

1

Hn

Valor eficazTHDRn % =



Factor de crestaFactor de cresta

El factor de cresta :– Es el resultado del valor de cresta de una señal respecto a su valor eficaz.

Aac = Arms = 1,856 AApico = 7, 45 AFC = 4

Aac = Arms = 1,856 AApico = 7, 45 AFC = 4

Fc =Valor crestaValor eficaz

* Algunos ejemplos de factores de cresta :

- carga lineal ........................Fc = 1,414 = 2

- carga informática ..............Fc = 2 a 2,5

- carga micro-informática ....Fc = 2,2 a 3,5



El factor de potencia λ (lambda) :Es el resultado de la potencia activa P respecto a la potencia aparente S

con P en W. y S en VA.

El factor de potencia no debe ser confundidocon el factor de desfasaje cos ϕ 1

Ejemplo de cálculo :

Factor de potencia para una carga de tipo informática absorbiendo unapotencia activa de 12 KW y una corriente eficaz de 74 A. a 220V.

λ =PS

Factor de potenciaFactor de potencia

λ = =××

=PS

12 1074 220

0 743

.



Factor de desfasajeFactor de desfasaje

1

1cos ϕ 1 =

P

S

El factor de desfasaje "cos ϕ 1"

Representa el coseno del ángulo de desfasaje entre las fundamentales de la tensión y de la corriente .

P1 = potencia activa de la componente fundamental.

S1 = potencia aparente de la componente fundamental

* El "cos ϕ 1" es igualmente llamado DPF (Displacement Power Factor).

λ.* En el caso donde las tensiones y corrientes son perfectamente sinusoidales

El cos ϕ 1 es igual al factor de potencia

* Para una carga de tipo informática, el cos ϕ 1 está próximo a 1 y λEl factor de potencia próximo a 0.74.



1

1cos ϕ 1 =

P

S

El factor de desfasaje "cos ϕ 1"

P1 = potencia activa de la componente fundamental.

S1 = potencia aparente de la componente fundamental

* El "cos ϕ 1" es igualmente llamado DPF (Displacement Power Factor).* En el caso donde las tensiones y corrientes son perfectamente sinusoidales

El cos ϕ 1 es igual al factor de potencia λ* Para una carga de tipo informática, el cos ϕ 1 está próximo a 1 y λ

El factor de potencia próximo a 0.74.

Representa el cos del ángulo de desfasajeentre las H1 de la tensión y de la corriente .

Factor de desfasajeFactor de desfasaje

"cos ϕ 1"



ImpedanciaImpedancia

Esquemasequivalentes :

* Los transformadores,alternadores, cables.

* Los S.A.I. (onduladores).

Impedancias en función de la frecuencia.

e LC

eL R

ZsZc %

F (Hz)

resultado de Zs fuente y Zc de la carga.

50 _

100 _

0

150 _

50 250 500 750

Zs S.A.I. clásico

transformador Uccx = 4%

alternador X''d = 12%

S.A.I. a frecuencia libre




UccH1=1% UccH1=4% UccH1=15%

Z = Ucc x U2

S

Z = Impedancia

Ucc = Tensión de corto circuitoS = Potencia aparente

U = TensiónZ = 4 x 4002 = 32 m

2 .105100

Ejemplo: TFO 200kVA U=400V

Z = 8 m Z = 32 m Z = 120 m



Soluciones electrotécnicas

Soluciones electrotécnicas



Las soluciones electrotécnicasLas soluciones electrotécnicas

Fuentes Normal o Socorro

Transformadores condiferentes acoplamientos

2 Confinamiento h3 y múltiplos.

p1 = p2

h5, h7

D

d y3

D

y

Y

y

p1 = p24

L

5

Selfsanti - hn.

L

6

1

D

yn

h3 h9

2

3 4y Atenuación de los

rangos h5 y h7 (exafásicos).

Filtrosacordes

5 Tratamiento hn. de lafrecuencia del acorde.

6 Atenuación THD(i).

Sobredimensionamientode fuentes, cables ...

- No elimina los armónicos.

1



Armónicos 3º y múltiplos detres no circulan aguas arriba

h3 h9

h3 h9

TransformadoresTransformadores

Cargas monofásicas con alto contenido de armónicos 3º, 5º, 7º, 9º, 11º y 13º gran intensidad por el neutro



h5 h7 h5 h7

h5 h7 h5 h7

Armónicos 5º y 7º no circulan aguas arriba

TransformadoresTransformadores

Inversión de fase de los armónicos 5º y 7º quedando el resultado del sumatorio



Filtro pasivoFiltro pasivo

Filtro sintonizado

Fuente Carga



Filtro pasivo +inductsancia serieFiltro pasivo +inductsancia serie

+

-

THDI 60%THDI 6%

THDI 33%



Compensación activa

Compensación activa



El compensador activo de armónicosEl compensador activo de armónicos

Fuentede potencia

Cargano lineal

CompensadorActivo

de Armónicos

Is Ich.

Ic.

El compensador activo genera corrientes que se oponen a los armónicos creados por las cargas no lineales.Está dimensionado para las corrientes armónicas (Potencia deformante). La corriente consumida por la carga será :

I carga = I fuente + I compensador



=

+

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

If. (fundamental)

IH. (armónicos)

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

2

1,5

Compensadoractivo

Ic

Fuente Cargano lineal

Is Ich

I. compensador

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

2

1,5

I. fuente

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

I. cargaEjemplo : carga monofásica tipo RCD

Principio de funcionamiento Principio de funcionamiento



Principio de funcionamiento Principio de funcionamiento

fuenteP+p'+Q

P+Q+D

p'

cargano

lineal

D'

CompensadorActivo

El compensador Activo :suministra la energía de"deformación" D'.

* La fuente no suministra mas que la p' necesaria para compensar las pérdidas del compensador.* C.A. suministra D' (potencia Hn)

P (kW) u

S (kVA) Q (kVAR)

p'

DS D'

D' = - D

+ - - +D = 0

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

++ +

-+

- --

I h2u

% de I fundamental

Q'



Los efectos de las corrientes armónicas Los efectos de las corrientes armónicas

Argumentación de la potencia aparentey sobredimensionamiento de las fuentes

> Con cargas lineales, sin armónicos :

• Cos phi = Fp =P/S

> S = Potencia aparenteo consumida

> Con cargas no lineales :

• Cos ϕ = P1/S1 componentes de la señal fundamental• Factor de potencia = P/S

P (W)

Q (var)φS (VA)

S (VA)

D armónica

P2 + Q2S =

P2 + Q2 + D2S =



Corriente compensadaCorriente sin compensar

Corriente del compensador

Ensayo RealEnsayo Real



Corriente compensada

Corriente sin compensar

Armónicos compensados

Armónicos sin compensar

Corriente del compensador

Ensayo RealEnsayo Real



20 A - 30 A - 45 A - 60 A - 90 A - 120 A

La gama completaLa gama completa



Prestación generalPrestación general

Parámetros de entrada .tensión : 400 V , - 20 % + 15 %fases : trifásico con o sin neutro. Funcionamiento con cargas

monofásicas desequilibradas y trifásicas frecuencia : 50 Hz o 60 Hz , +/- 5 % con auto-configuración

Compensación armónicos .rangos armónicos compensados : H 2 a H 25

tipo de compensación : armónicos - cos ϕ - mixto (Hn + cos ϕ)modo de compensación (Hn) : global o selectivo (elección de los rangos)tasa de atenuación : >10 a plena carga ( THDI)

mejora del cos ϕ : posible hasta 1

Régimen dinámico .tiempos de respuesta : < a 20 ms con método global de tratamiento

de corriente.



Puente Graëtz 6 pulsosPuente Graëtz 6 pulsos

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

corriente en la red con SineWavetratamiento mixto (Hn + reactiva)

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

corriente en la red sin SineWave

0

I fase = 37 ATHDI = 88 %S = 8,2 kVAFactor potencia = 0.63Cos ϕ = 0.84

I fase = 25A (-32%)THDI (tr = 9) = 9,5%S = 5,5 kVAFactor de potencia = 0.99Cos ϕ = 1



I fase = 48 ATHDI = 81 %I neutro = 42 AS = 10,6 kVAFactor potencia = 0.77Cos ϕ = 0.99

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

corriente en la red sin SineWave

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

2

1,5

corriente en la red con SineWave

I fase = 38A (-21%)THDI (tr = 24) = 3,4%I neutro = 2,6 AS = 8,4 kVAFactor de potencia = 1Cos ϕ = 1

Cargas R C DCargas R C D



Modo de funcionamientoModo de funcionamiento

C.B.T secundario

* puesta en paralelo de SineWavedel mismo calibre (4 máximo ).

* 1 solo captador común.

Cargas no lineales

captadorcomún

evoluciónextensión

SW 1 SW 2



Puntos de inserciónPuntos de inserción

M M M

Cuadroterminal

Salidas S1 Salidas S2 Salidas S3

Cuadrosecundario

Cuadro generalBaja Tensión

CGBT

Salidas MS1 Salidas MS2 Salidas MSn

BT

compensación local

compensación parcial

compensaciónglobal

La elección del punto de inserciónserá función de criteriostécnico-económicos dependiente :- de los medidas realizadas - del grado de depolución deseado- de la compensación de la reactiva

C R

C

B

A




UccH1=1% UccH1=4% UccH1=15%

Z = Ucc x U2

S

Z = Impedancia

Ucc = Tensión de corto circuitoS = Potencia aparente

U = TensiónZ = 4 x 4002 = 32 m

2 .105100

Ejemplo: TFO 200kVA U=400V

Z = 8 m Z = 32 m Z = 120 m



Casos realesCasos reales



Problemas realesProblemas reales




Durante las pruebas de un nuevo Durante las pruebas de un nuevo telesillatelesillade una importante estación de esquí, se de una importante estación de esquí, se observaron varios problemas.observaron varios problemas.

El transformador de alimentaciónEl transformador de alimentaciónvibrabavibraba y los cables sey los cables se calentabancalentaban

El El telesillatelesilla sese parabaparaba




Un Un telesillatelesilla es básicamente un gran es básicamente un gran motor eléctrico con velocidad variable, motor eléctrico con velocidad variable,

por lo que el problema tenía que por lo que el problema tenía que deberse a los armónicos reinyectados.deberse a los armónicos reinyectados.



Problemas realesProblemas reales ANTES

I rms 239,8 A

THD (I) 40,94 %

I armónica 90,7 A



I rms 206,7 A

THD (I) 6,84 %

I armónica 14,1 A


-14%

-83%

-84%

DESPUES



Forma de onda de un variador de velocidadForma de onda de un variador de velocidad

Forma de onda compensadaForma de onda compensada



Espectro armónico de un variador de velocidadEspectro armónico de un variador de velocidad

Espectro armónico compensadoEspectro armónico compensado




- Resultado final:

*Ausencia de:

- vibraciones

- calentamiento

*¡Cliente (y usuarios)

Satisfechos!



LA CALIDAD DE LA ONDALA CALIDAD DE LA ONDA

MEJORAR TIENE UN COSTEMEJORAR TIENE UN COSTE

NO HACERLONO HACERLOPUEDE COSTARPUEDE COSTAR MUYMUY CAROCARO



Calidad de la ondaCalidad de la onda

Hablando en términos de calidad de la onda de tensión y basándonos en la norma Norteamericana (IEEE-519-1992)

“Práctica recomendada”

Sitúa el umbral de THDU Global < 5%

Sitúa el umbral de THDU Individual < 3%



Las normas sobre los productosLas normas sobre los productos

Compatible con todas Las normas

Las concernientes a la emisión de armónicos:

IEEE 519-2 (USA): tasa de reinyección armónica < 5%

CEI 61000-3-2 (EN61000-3-2) aplicable a los equipos <16 A

CEI61000-3-4 (EN61000-3-4)Aplicable a los equipos >16A/faseConectados a las redes BT 600 VFrecuencias < H40Niveles requeridos



Las normas sobre los productosLas normas sobre los productos

Compatible con todas Las normasHk %H1

Limites de la CEI 61000--3-4

Sin filtro Filtro LC Doble puente THM integrado

H3 21,6% - - - -H5 10,7% 32% 2,9% 2,8% 2,5%H7 7,2% 2,5% 1,9% 1,5% 1,5%H9 3,8% - - - -H11 3,1% 6,1% 3,8% 9,1% 2%H13 2,0% 2,7% 1,9% 7,1% 0,5%H17 1,2% 2,5% 1,1% 1% 1,1%H19 1,1% 1,6% 0,7% 0,7% 0,9%THDI 25% 33% 6% 12% 4%

El filtro THM (Compensador Activo) es el único dispositivo permanenteconforme con las recomendaciones de la guía CEI para todos Los

rangos armónicos

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