Npt22 Determinando El Tamaño Del Generador

NEWAGE PRODUCT TRAINING


PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL TAMAÑO DEL GENERADOR

El proceso de determinar el tamaño de Generador requerido en la mayoria de las aplicaciones puede simplificarse con el siguiente procedimiento:-

PASO 1. CALCULAR LA CARGA TOTAL A CONECTAR PARA OPERACION CONTINUA.

PASO 2. CALCULAR TODOS LOS FACTORES DE AJUSTE DE LA POTENCIA. PASO 3. CALCULAR LOS REQUERIMIENTOS DE OPERACION EN

CONDICIONES DE TRANSITORIOS DE VOLTAGE Y DE CARGA. PASO 4. CALCULAR LOS REQUERIMIENTOS DE OPERACION CON CARGAS

NO LINEALES. PASO 5. SELECCIONAR EL TAMAÑO DEL GENERADOR ADECUADO.

NOTA: EL TEMA DE APLICACIONES DEL GENERADOR PUEDE LLEGAR A SER BASTANTE COMPLEJO Y CON MUCHAS VARIABLES, LAS CUALES INFLUYEN EN LA DETERMINACION DEL TAMAÑO ADECUADO DE GENERADOR. SI EXISTE ALGUNA DUDA, FAVOR DE CONTACTAR NUESTRO DEPARTAMENTO DE APLICACIONES PARA AYUDA PROFESIONAL.


PASO 1. CALCULAR LA CARGA TOTAL PARA OPERACION CONTINUA.

1. OPERACION DE MOTORES, MAQUINARIA Y APARATOS 1. OPERACION DE MOTORES, MAQUINARIA Y APARATOS ELECTRICOS (CON CARGA CONECTADA)ELECTRICOS (CON CARGA CONECTADA)Suma Total de los kVA’s requeridos para la operacion de motores y cualquier otro aparato electrico en condiciones de operacion continua.kWATTS (MOTOR) = caballos de potencia X 0.746kVA de entrada al MOTOR = kWatts del MOTOR

(Eficiencia del Motor X F.P. del MOTOR)

2. EQUIPOS CALENTADORES Y DE AIRE ACONDICIONADO2. EQUIPOS CALENTADORES Y DE AIRE ACONDICIONADOLa Cantidad Total de kVA de calentadores que puedan estar encendidos a cualquier hora del dia, por ejem.: Calentadores electricos, calentador de agua, hornos electricos, estufas o parrillas electricas, etc. Para Calentadores usar un F.P. de 1.0 kVA = kWatt.

3. ALUMBRADO3. ALUMBRADO La suma de los kVA’s para alimentar todas las lamparas incandescentes o fluorescentes que llegaran a estar encendidas a cualquier hora del dia. Utilizar factores de potencia de 0.9 o de 1.0.

PRECAUCION: donde el alumbrado fluorescente constituya una gran proporcion de la carga:- Considerar que las lamparas fluorescentes normalmente estan corregidas a un f.p 0.9., pero si no, asumir un f.p. de 0.5.



AJUSTE DEBIDO A LA TEMPERATURA

TE

MP

ER

AT

UR

A º

C

FACTOR MULTIPLICADOR

1.0 0.95 0.9 0.85

60

55

50

45

40

AJUSTE DEBIDO AL FACTOR DE POTENCIA

FA

CT

OR

DE

PO

TE

NC

IA

CO

S


1.0 0.95 0.90 0.85

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

PASO 2. CALCULAR LOS AJUSTES DE LA POTENCIA REQUERIDOS TOMANDO EN CUENTA LAS CONDICIONES GENERALES DE OPERACION DEL GENERADOR.

AJUSTE DEBIDO A LA ALTITUD

AL

TIT

UD

EN

ME

TR

OS


1.0 0.95 0.9 0.85 0.8

45004000350030002500200015001000

NOTA 1 : Un ajuste del 3% es requerido por cada 500m arriba de 1000metros SNM.

NOTA 3 : Ajuste del Factor de Potencia en condiciones de operacion con f.p. atrazado.

NOTA 2 : Un ajuste del 3% por cada 5°C de incremento sobre 40°C de la temp. de entrada de aire al generador.

NOTA 4 : Todos estos factores son acumulativos (cuando dos o mas aplican).



CARGAS CON FACTOR DE POTENCIA ADELANTADOCARGAS CON FACTOR DE POTENCIA ADELANTADO

Factor de Potencia Adelantado (CARGAS CAPACITIVAS), cargas producto de:- 1. Correccion de Factor de Potencia (Bancos de Capacitores). 2. Filtros de Cargas No Lineales (para reducir La Distorsion Harmonica de Voltaje (THD). 3. Iluminacion Fluorescente, (F.P. sobre - corregido).

CARGAS CON FACTOR DE POTENCIA ATRAZADO.CARGAS CON FACTOR DE POTENCIA ATRAZADO.

Factor de Potencia Atrazado, (CARGA INDUCTIVA), estas cargas son producto de:- 1. Motores ,Transformadores, Calentadores de Induccion, (Circuitos Magneticos). 2. Cargas No Lineales (Fuentes de Potencia controladas Electronicamente). 3. Iluminacion Fluorescente (sin correccion de factor de potencia)

El Generador debe operar dentro de limites ‘SEGUROS’ para cargas con bajo Factor de potencia.Estos limites estan definidos en las graficas o curvas de operacion del GENERADOR.El area de operacion ‘SEGURA’ en las graficas esta en funcion directa de la Reactancia SINCRONA, (Xd), para cada Generador.

PASO 2. CALCULAR LOS REQUERIMIENTOS DE FACTOR DE POTENCIA



0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

0.951.000.95 0.90.9 0.80.8

FACTOR DE POTENCIA

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0 0.

1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

EXPORTA (ATRAZADO)IMPORTA (ADELANTADO) kVAR POR UNIDAD

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

POSIBLE DAÑO DEL ESTATOR

DAÑO EN EL ROTOR

DESLIZAMIENTOEN EL ROTOR

-INESTABILIDAD-

AREA DE OPERACIONSEGURA

LIMITE DE SOBRECARGA

EN EL MOTOR

REACTANCIA SINCRONAXd = 3.0, (300%)



0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

0.951.000.95 0.90.9 0.80.8

FACTOR DE POTENCIA

0.10.2

0.3

0.40.5

0.6

0.70.8

0.9

1.0 0.1

0.2

0.3 0.4

0.5

0.6 0.7

0.8

0.9

1.0

EXPORTA (ATRAZADO)IMPORTA (ADELANTADO) Kvar POR UNIDAD

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

DAÑO DEL ESTATOR

DANO ENROTOR

SOBRE CARGA DEL MOTOR

DESLIZAMIENTODEL ROTOR


AREA DE OPERACIONSEGURA

REACTANCIA SINCRONAXd = 1.4, (140%)


0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

0.951.000.95 0.90.9 0.80.8

FACTOR DE POTENCIA

0.1

0.20.3

0.4

0.50.6

0.7

0.80.9

1.0 0.1 0.2

0.3

0.4 0.5

0.6

0.7 0.8

0.9

1.0

EXPORTA (ATRAZADO)IMPORTA (ADELANTADO) POR UNIDAD kVAR

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

Reactancia SincronaXd = 2.4 (240%)

Un Generador HC434E de 325kVA, 415 Volt, 50 Hz. es requerido para operar a PLENA CARGA DE kVA. Cuales son los limites del FACTOR DE POTENCIA antes de reducir la potencia nominal ?

F.P. = 0.8 ATRAZADOkW = 325 X 0.8 = 260 kW

F.P. = 0.91 ADELANTADOkW = 325 X 0.91 = 296 kW

EJEMPLO 1



0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

0.951.000.95 0.90.9 0.80.8

FACTOR DE POTENCIA

0.10.2

0.3

0.40.5

0.6

0.70.8

0.9

1.0 0.1

0.2

0.3 0.4

0.5

0.6 0.7

0.8

0.9

1.0

EXPORTA (ATRAZADO)IMPORTA (ADELANTADO) POR UNIDAD kVAR

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD


Un Generador HC6J de 1000 kVA, 380V 50Hz, es requerido para operar a 0.6 f.p. Atrazado Calcular el ajuste de kVA requeridos, y la carga requerida del motor (kWatt)

kVA = 1000 X 0.93 p.u= 930 kVA MAX

kW = 1000 X 0.56 p.u= 560 kW

EJEMPLO 2



0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

0.951.000.95 0.90.9 0.80.8

FACTOR DE POTENCIA

0.10.2

0.3

0.40.5

0.6

0.70.8

0.9

1.0 0.1

0.2

0.3 0.4

0.5

0.6 0.7

0.8

0.9

1.0

EXPORTA (ATRAZADO)IMPORTA(ADELANTADO) POR UNIDAD kVAR

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW PORUNIDAD


Un Generador HC7K734G de 1800 kVA, 415Volt a 50 Hz, opera en una aplicacion de Co-Generacion. Se requiere que el Generador opere a 0.7 f.p. atrazado, para mejorar el F.P. del sistema (correccion del F.P.). Cual es el ajuste requerido para operar a 0.7 F.P.?

kVA = 1800 X 0.96 = 1728 kVA

EJEMPLO 3



0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

0.951.000.95 0.90.9 0.80.8

FACTOR DE POTENCIA

0.10.2

0.3

0.40.5

0.6

0.70.8

0.9

1.0 0.1

0.2

0.3 0.4

0.5

0.6 0.7

0.8

0.9

1.0

EXPORTA (ATRAZADO)IMPORTA(ADELANTADO) POR UNIDAD kVAR

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

kW POR UNIDAD

Cuando se conecta un generador UC274E de 140kVA, 440V a 50Hz a la linea, este se conecta a un banco de capacitores de correccion de Factor de Potencia. Cual es la corriente de carga Capacitiva maxima (F.P. Adelantado.) que se puede aplicar al Generador en el arranque del UPS?

kVAr = 140 X 0.48 p.u= 67.2 kVAr


EJEMPLO 4



Reactancia Transitoria X’d Controles Proporcional, Derivativo

Integral de Control

Caida

300 mSecs

Reactancia Subtransitoria X’’d

Plena Carga

Cero Carga

100%VOLTS

90%

70%

80%

0%

100%

TIEMPO

CARGA

PASO 3. CALCULAR EL IMPACTO OPERANDO CON TRANSITORIOS DE CARGA

VOLTS D.C PLENA CARGA 40 - 60 VDC.80 - 120 VDCSIN CARGA 11 TO 14 VDC.

La Caida de voltaje esta determinada por las Reactancias X’’d y X’d del Generador, y la habilidad del sistema de control de la excitacion, (AVR o transformador), para responder al cambio, (respuesta). El sistema de Control debera ser ajustado para optimizar la respuesta en condiciones transitorias a cambios de carga rapidos, (incluyendo el arranque de motores), y carga bloqueada.

Integral de Control

CAIDA DE VOLTAJECAIDA DE VOLTAJE


El porcentaje de caida de VOLTAJE se determina por los kVA´s de arranque del motor.

LA CAIDA DE VOLTAJE DURANTE EL ARRANQUE puede ser calculada, utilizando Las Curvas de Arranque del Rotor. Las CURVAS estan basadas en la Reactancia Transitoria (X’d) y subtransitoria (X’’d) del Generador, con las constantes de tiempo asociadas (Xg).

En general, la caida de voltaje maxima admisible es:-25% DE CAIDA DE VOLTAJE EN LAS TERMINALES DEL GENERADOR, 30% DE CAIDA DE VOLTAJE EN LAS TERMINALES DEL MOTOR.

Reactancia Transitoria ( X’d)Controles Proportional y Derivativo

Integral de Control

Caida

300 mSecs

Reactancia Subtransitoria ( X’’d)

100%VOLTS

90%

70%

80%

TIEMPO

Integral de Control

OperandokVA Arranque

Motor Apagado0%

CARGAMOTOR

Motor Operando

kVA Arranque

MOTOR ARRANQUE

NOTA: Esto incluye la suma TOTAL de todos los motores que son arrancados simultaneamente.



La caida de voltaje en el Arranque del Motor puede ser mejorada utilizando menores valores de reactancias Transitoria y Subtransitorias.

Las Reactancias, (X’d y X’’d ), son menores mientras mayor es el nivel de Voltaje, (Flujo).

EL DESEMPEÑO EN SITUACIONES TRANSITORIAS puede ser mejorado incrementando el voltaje, (hasta donde sea posible).

EJEMPLO: Para una maquina HC734H. Las Reactancias son por UNIDAD ejemplo 0.14 = 14%

REACTANCIAS TRANSITORIAS (X’d) Y SUBTRANSITORIAS (X’’d) DEL GENERADOR

Devanado Numero TerminalesNumero Fases Estator Min Med Max Min Med Max

312 3 6 380 415 440 416 440 480

26 3 6 660 690 - - -

- - -

VOLTS @ 50HZ VOLTS @ 60HZ

TIPICO X'd VALOR 0.19 0.16 0.14 0.22 0.20 0.18

TIPICO X'd VALOR 0.17 0.16-

-

TIPICO X’’d VALOR 0.14 0.12 0.11 0.17 0.16 0.14

- - -TIPICO X’’d VALOR 0.14 0.11-

Arranque del Motor



KVA’s DE ARRANQUE DE MOTOREs el total estimado de todos los motores que en un momento dado puedan ser puestos en marcha al mismo tiempo.Los kVA de arranque de MOTOR dependen del metodo utilizado en el arranque:

CALCULO DE LA CAPACIDAD DE POTENCIA EN EL MOTOR:-

1 CABALLO DE POTENCIA = 746 Watts

kWatts del MOTOR = CABALLO DE POTENCIA X 0.746

kVA MOTOR = kWATTS / FACTOR DE POTENCIA

kVA MOTOR (para maquinas 3 fases) = VOLTS (Linea) X Amps de plena carga x 3 / 1000

kVA MOTOR (para maquinas 1 fase) = VOLTS (L - Neutral) X PLENA CARGA AMPS / 1000

kVA DE ENTRADA DEL MOTOR = kVA RUNNING DEL MOTOR / EFICIENCIA

a) DIRECTO EN LINEAb) CONEXION ESTRELLA DELTAc) AUTO TRANSFORMADORd) ARRANQUE ELECTRONICO ‘SUAVE’

ARRANQUE DE MOTOR



kVAr

F.P. COS 0.15

kVA

kW ( H.P)

kVA kVAr

CARACTERISTICAS DE ARRANQUE DE MOTOR

F.P. COS 0.36

kW ( H.P)

kVA kVAr

kVAr kVA

F.P. COS

0.9kW ( H.P)

kVA kVAr

A PLENA CARGAOPERACION CONTINUA

ESTRELLADELTA

DIRECTOEN LINEA

kVA ESTRELLA = X 6 RUN

kVA ESTRELLA= X 2.5 RUN

kVA= kW / F.P.

kW = H.P X 0.746



CARACTERISTICA DE ARRANQUE DE MOTOR D.O.L

CORRIENTE (kVA)

POTENCIA (kW) FACTORPOTENCIA

CORRIENTE = 6 A 8 VECES

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

FACTORDE POTENCIA(ATRAZADO)

1.00.80.60.40.20VELOCIDAD DE ROTACION (POR UNIDAD)

EL GENERADOR Y EL MOTOR SON SUJETOS AL IMPACTO DE LA CARGA DURANTE EL ARRANQUE MOTOR

POTENCIA = MAS DE 3 VECES

FACTOR DE POTENCIA= MENOR A 0.2 PF

6

5

4

3

2

1

0

POR UNIDAD PLENA CARGA



kVA DEL ARRANQUE DEL MOTOR

a) DIRECTO - EN - LINEA (DOL)El motor se arranca con el VOLTAJE de linea. Las CORRIENTES de ARRANQUE pueden ser de 6 a 9 veces la CORRIENTE de PLENA CARGA del motor.Corrientes de arranque de motor tipicas:-Motores hasta 250 kW :- asumir 7 X kVA nominalMotores mayores de 250 kW:- asumir 6 X kVA nominal

b) ESTRELLA - DELTA (SD)El motor se arranca primero en ESTRELLA, = 3 del voltaje de Linea (Voltaje de Linea / 1.73).Despues de un tiempo de retardo ESTRELLA, = 1 a 4 segundos, (tipicamente),El motor se reconecta en DELTA, = 30 - 100ms TRANSICION a VOLTS de plena carga.

Corrientes tipicas de Arranque del Motor:-EN ESTRELLA asumir 2.5 X RATED kVAEN DELTA (impacto transicional) asumir 3.0 X RATED kVA

ARRANQUE DEL MOTOR



ARRANQUE DEL MOTOR kVA

c) AUTO TRANSFORMADOR (AT)El motor es arrancado con uno o mas pasos en los taps del transformador.LAS CORRIENTES DE ARRANQUE pueden ser de 2.5 a 4.0 veces la CORRIENTE de PLENA CARGA del motor.Corrientes Tipicas de arranque en el motor:-Para un 80% de rango en el transformador :- asumir 4.0 X kVA nominales Para un 60% de rango en el transformador :- asumir 2.5 X kVA nominales

d) ARRANQUE ELECTRONICO (SUAVE) (SS)El motor es arrancado suavemente, (sin pasos) con la fuente de voltage.LA CORRIENTE DE ARRANQUE pueden variar hasta 1.1 veces la CORRIENTE DE PLENA CARGA, dependiendo de niveles mas grandes:-Tiempo de arranque hasta alcanzar la velocidad nominal.Ya sea que la flecha del motor este cargada durante el arranque, (un alto torque en la flecha).Corrientes Tipicas de arranque del motor :-Para el arranque del motor sin carga conectada en la flecha asumir de 1.5 a 2 veces los kVA nominales.NOTA : Cargas no lineales ocasionan distorsion en la forma de onda.

ARRANQUE DEL MOTOR



CURVAS DE ARRANQUE DEL MOTOR PARA 250 kVA HC434C A 50 Hz

Kva ROTOR BLOQUEADO0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

PO

RC

EN

TA

JE

DE

CA

IDA

DE

V

OL

TA

JE

40

35

30

25

20

15

10

5

0

380V 400V 415V 440V

Una mina de cantera produciendo piedra es energizada mediante un Generador HC434C, 250 kVA, 415V, 50Hz.La planta trituradora tiene 4 motores de 15 HP conectados en D.O.L, cada uno con eficiencia de 88% y factor de potencia de 0.89pf. Los motores son arrancados simultaneamente.Cual sera la caida de VOLTAJE en el arranque del MOTOR?

De la Grafica, la caida de VOLTAJE sera de 21%.

EJEMPLO 1

KW del MOTOR (de los HP) = 4 X 15 H.P = 60 H.P X 0.746 = 44.8 kW. Entrada de kVA al MOTOR = 44.8kW / power factor (0.89) & efficiency (0.88) = 57.2 kVA.kVA ARRANQUE del MOTOR = 57.2 X 7 (para arranque en D.O.L) = 400 kVA.



CURVAS DE ARRANQUE DEL MOTOR PARA 190 kVA UCI274F A 60 Hz

Kva de ROTOR Bloqueado

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680

PO

RC

EN

TA

JE

DE

CA

IDA

DE

V

OL

TA

JE

40

35

30

25

20

15

10

5

0

416V 440V 460V 480V

Un Generador UCI274F de 190 kVA, es requerido para arrancar un motor de 150 H.P, 60 Hz, 440Volt, en conexion estrella / Delta.El motor tiene una eficiencia de 88 % y un Factor de Potencia de 0.8. Cual sera la caida de VOLTAJE en el ARRANQUE del MOTOR ?

De la curva, la caida de voltaje sera de 23%.

EJEMPLO 2

kW MOTOR (de los H.P) = 150 H.P X 0.746 = 112 kWEntrada de kVA al MOTOR = 112 kW / eficiencia (0.88) y factor de potencia (0.8) = 159 kVA.kVA de ARRANQUE del MOTOR = 159 X 2.5 (para ESTRELLA DELTA) = 398 kVA.



CURVAS DE ARRANQUE DEL MOTOR PARA 85 kVA UCI224G A 50 Hz

LOCKED ROTOR kVA0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

PO

RC

EN

TA

JE

V

OL

TA

JE

DIP

40

35

30

25

20

15

10

5

0

380 400V 415V 440V

Una aplicacion a 415V, 50Hz tiene una carga de ESTADO ESTABLE de 30 kW a 0.9 Factor de Potencia.Tambien se tienen 2 motores de 14 kW c/u conectados DOL, los cuales se arrancan en secuencia. Los motores son de 80% eficiencia a 0.9 pf.LA CAIDA DE VOLTAJE MAXIMA PERMITIDA ES DE UN 20%.QUE TAMAÑO DE GENERADOR SE REQUIERE PARA ESTA APLICACION ?

EJEMPLO 3

ENTRADA DE KVA al MOTOR = 2 (motores) X (14 kW / 0.9 PF y 0.8 eficiencia) = 39 kVA.CARGA TOTAL EN kVA = 30 kW / 0.9 f.p. = 33.3 kVA (base) + 39 kVA (motor) = 69.3 kVA kVA DE ARRANQUE DEL MOTOR (para c/ motor) = 39kVA / 2 = 19.5 X 7 (for DOL) = 136 kVA

SELECCIONE UN GENERADOR CON UNA CAIDA DE VOLTAJE DE 20% @ 136 kVA



CARGAS NO LINEALES provienen generalmente de sistems de CONTROL ELECTRONICO, donde la corriente de carga que demanda el dispositivo de potencia es NO SENOIDAL.

FORMA DE ONDA DE VOLTAJE NORMAL DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE

Los materiales SEMI CONDUCTORES tales como TYRISTORES / RECTIFICADORES, etc. crean ARMONICOS en la forma de onda de CORRIENTE, la cual genera a su vez una DISTORTION ARMONICA en el VOLTAJE.

PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL TAMANO DEL GENERADOR

PASO 4. CARGAS NO LINEALES – DISTORSION ARMONICA

LOS SISTEMAS ELECTRONICOS DE CONTROL se pueden volver inestables cuando son sujetos a una DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE en la fuente de potencia.


PASO 4. DISTORSION ARMONICA EN CARGAS NO LINEALES

APLICACIONES TIPICAS DE CARGAS NO LINEALES:-

ARRANQUE SUAVE DEL MOTOR.

FUENTES IN - INTERRUMPIDAS DE POTENCIA (UPS) - (INVERSOR, CARGADOR DE BATERIAS, ETC).

INVERSORES DE FREQUENCIA VARIABLE, DRIVES INVERSORES, GRUAS, ELEVADORES, VENTILADORES, BOMBAS, ETC.

PROCESOS DE MANUFACTURA, (HORNOS DE TEMPERATURA CONTROLADA, ESTUFAS, CALENTADORES).

SISTEMAS DE COMUNICACION - TV/RADIO/FILMS, (TRANSMISION ), ILUMINACION CONTROLADA).

TELECOMUNICACION, RECTIFICADORES, ETC.

PARA APLICACIONES DE CARGAS NO LINEALES, EL SISTEMA DE CONTROL RECOMENDADO EN EL GENERADOR ES EL PROPORCIONADO POR EL GENERADOR CON MAGNETO

PERMANENTE, (PMG) CON UN AVR DE SENSADO RMS DE 3 FASES.


12 PULSOS

6 PULSOS

4 PULSOS

CORRIENTE APROXIMADA DE DISTORSION NIVELES PARA CARGAS NO LINEALES

14 %

30 %

45 %

FUENTES IN-INTERRUMPIDAS DE POTENCIA

DRIVES VARIADORES DE FRECUENCIA

ARRANQUE SUAVE DEL MOTOR

ESTUFAS / HORNOS

NIVELES ACEPTABLES DE DISTORSION DE VOLTAJE

10 %

10 %

10 %MEDIA

TELECOM

15 %

15 %

20-25 %

Las Cargas no LINEALES se pueden convertir en inestables cuando la distorsion de VOLTAJE (THDV) excede los limites acceptables en los sistemas de CONTROL.

LA DISTORSION DE CORRIENTE ARMONICA TOTAL (THDI), es medida como un porcentaje de la forma de onda fundamental.

El tamaño del generador debera LIMITAR la distorsion armonica total de VOLTAJE hasta alcanzar niveles ACEPTABLES para la carga.

Los Armonicos de forma de onda pueden tambien crear cierto calor adicional en los devanados del Generador.

Los Generadores con aislamientos CLASE F (105 oC de temp de incremento) deberan ser utilizados para evitar un daño por calor, y asi evitar una reduccion de la vida util de los aislamientos en los devanados del Generador.



LOS NIVELES DE DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE ESTAN DETERMINADOS POR:-

EL NIVEL DE DISTORSION ARMONICA DE CORRIENTE para cargas no lineales (NLL). La Distorsion de Corriente Armonica Total (THDI) se expresa como un PORCENTAJE de la frecuencia FUNDAMENTAL (a 50Hz o 60Hz ). Como guia utilice :- Para 12 PULSOS 14%, Para 6 PULSOS 30%, Para 4 PULSOS 45%

NOTA: Los Filtros de armonicos utilizados con N.L.L, ayudan a reducir la T.H.D.I.

La IMPEDANCIA del GENERADOR, conocida tambien como REACTANCIA SUBTRANSITORIA ( X’’d). Esta caracteristica se deriva de los resultados de pruebas de corto circuitos instantaneos. Valores menores de X’’d mejoran los niveles de DISTORSION DE VOLTAJE. Las reactancias X’’d 's son menores cuando el generador esta trabajando a su mayor nivel de flujo.

El TAMAÑO de la carga NO LINEAL (kVA) para el TAMAÑO del GENERADOR (kVA). X’’d (pu) = (kVA de entrada en cargas no LINEALES kVA / kVA GENERADOR) X X’’d.

NOTA : Los kVA DE ENTRADA deberan incluir la EFICIENCIA DE LA CARGA Y EL FACTOR DE POTENCIA.



NO. DE PULSOS 4 6 121a ARMONICA 100% 100% 100%

2da.3a, 33%4a.5a. 20% 20%6a.7a. 14.30% 14.30%8a.9a. 11.10%10a.11a. 9.10% 9.10% 9.10%12a.13a. 7.70% 7.70% 7.70%14a.15a. 6.75%16a.17a. 5.90% 5.90%18a.19a. 5.30% 5.30%20a.

T.H.D APROX. 45% 30% 14%

DISTORSION DE CORRIENTE ARMONICA

ARMONICOS PARA CARGAS NO LINEALES:

= MULTIPLOS DEL NUMERO DE PULSOS ± 1

EJEMPLO: PARA UN SISTEMA DE 6 PULSOSLOS ARMONICOS SON: 5 y 7, 11 y 13, 17 y 19 etc...

PORCENTAJE DE CORRIENTE SIN FILTRAR DISTORSION PRESENTE EN CADA ARMONICO:-

% (p.u) = NUMERO DE ARMONICOS RECIPROCOS

i.e : 1/3rd, 1/5th, 1/7th, 1/9th etc….

EJEMPLO: PARA DISTORSION DE 3RD ARMONICOS1/3 = 0.33 p.u = 33% EJEMPLO : PARA DISTORSION DE 5TH ARMONICOS1/5 = 0.2 p.u = 20%

DISTORSION DE CORRIENTE ARMONICA TOTAL (THDI) =

DEMO ARMONICOS

SUMA DE LAS RAICES DE CADA ARMONICO



EL EJEMPLO MOSTRADO ES UN GENERADOR CON UNA REACTANCIA SUBTRANSITORIA DE 0.12, (12% X’’D), A PLENA CARGA, CON UNA CARGA NO LINEAL SIN FILTRO DE 6 PULSOS, PRODUCIENDO UNA DISTORSION ARMONICA TOTAL DE 34%. ESTA DISTORSION DE VOLTAJE NO SERIA ACEPTABLE PARA CARGAS NO LINEALES-

PASO 4. CARGAS NO LINEALES – EJEMPLO DE DISTORSION DE 6 PULSOSX"d 0.12

Harmonic Harmonic HarmonicHarmonic Current Lag voltage Fundamental

Per unit 0-360 deg per unit Degrees0

2nd 0.00 0.00 03rd 0.00 0.00 0.00 14th 0.00 0.00 25th 0.20 0.00 0.12 36th 0.00 0.00 47th 0.14 0.00 0.12 58th 0.00 0.00 69th 0.00 0.00 0.00 7

10th 0.00 0.00 811th 0.09 0.00 0.12 912th 0.00 0.00 1013th 0.08 0.00 0.12 1114h 0.00 0.00 1215th 0.00 0.00 0.00 1316th 0.00 0.00 1417th 0.06 0.00 0.12 1518th 0.00 0.00 1619th 0.05 0.00 0.12 1720th 0.00 0.00 1821st 0.00 0.00 0.00 1922nd 0.00 0.12 2023rd 0.04 0.00 0.12 2124th 0.00 0.00 2225th 0.04 0.00 0.12 23

TOTAL % 29.03 33.94 24

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

HARMONICS

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

CURRENT

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

VOLTS


X"d 0.06Harmonic Harmonic Harmonic

Harmonic Current Lag voltage Fundamental

Per unit 0-360 deg per unit Degrees

02nd 0.00 0.00 0

3rd 0.00 0.00 0.00 1

4th 0.00 0.00 2

5th 0.20 0.00 0.06 3

6th 0.00 0.00 4

7th 0.14 0.00 0.06 5

8th 0.00 0.00 6

9th 0.00 0.00 0.00 7

10th 0.00 0.00 8

11th 0.09 0.00 0.06 9

12th 0.00 0.00 10

13th 0.08 0.00 0.06 11

14h 0.00 0.00 12

15th 0.00 0.00 0.00 13

16th 0.00 0.00 14

17th 0.06 0.00 0.06 15

18th 0.00 0.00 16

19th 0.05 0.00 0.06 17

20th 0.00 0.00 18

21st 0.00 0.00 0.00 19

22nd 0.00 0.06 20

23rd 0.04 0.00 0.06 21

24th 0.00 0.00 22

25th 0.04 0.00 0.06 23TOTAL % 29.03 16.97 24

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

HARMONICS

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

CURRENT

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

VOLTS

AL REDUCIR LA REACTANCIA SUBTRANSIENTE HASTA 0.06 TH ( X’’d = 6%). LA DISTORSION DE VOLTAJE SE REDUCE A 17%, (ADECUADA PARA LA MAYORIA DE LAS APLICACIONES DE CARGA DEL MOTOR).

PASO 4. CARGAS NO LINEALES – EJEMPLO DE DISTORSION DE 6 PULSOS


X"d 0.035Harmonic Harmonic Harmonic

Harmonic Current Lag voltage Fundamental

Per unit 0-360 deg per unit Degrees

02nd 0.00 0.00 0

3rd 0.00 0.00 0.00 1

4th 0.00 0.00 2

5th 0.20 0.00 0.04 3

6th 0.00 0.00 4

7th 0.14 0.00 0.03 5

8th 0.00 0.00 6

9th 0.00 0.00 0.00 7

10th 0.00 0.00 8

11th 0.09 0.00 0.03 9

12th 0.00 0.00 10

13th 0.08 0.00 0.04 11

14h 0.00 0.00 12

15th 0.00 0.00 0.00 13

16th 0.00 0.00 14

17th 0.06 0.00 0.03 15

18th 0.00 0.00 16

19th 0.05 0.00 0.03 17

20th 0.00 0.00 18

21st 0.00 0.00 0.00 19

22nd 0.00 0.04 20

23rd 0.04 0.00 0.04 21

24th 0.00 0.00 22

25th 0.04 0.00 0.04 23TOTAL % 29.03 9.90 24

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

HARMONICS

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

CURRENT

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

VOLTS

UNA MAYOR REDUCCION DE LA REACTANCIA SUBTRANSITORIA EN EL GENERADOR, HASTA 0.035, ( X’’d = 3.5%), REDUCIRA EL NIVEL DE DISTORTION DE VOLTAJE HASTA UN 9.9%.

ESTE NIVEL DE DISTORSION ES ADECUADO EN APLICACIONES DE CARGAS NO LINEALES MUY SENSITIBLES, (TALES COMO UPS,TELECOM, MEDIA, ETC).

PASO 4. CARGAS NO LINEALES – EJEMPLO DE DISTORSION DE 6 PULSOS


GRAFICAS PARA CALCULAR LA DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE

DISTORSION DE VOLTAJE (Vn) PARA UN ARMONICO DADO = Vn (H. Voltaje) = In (H. Corriente) X n (H. Numero) X X’’d (p.u. reactancia subtransitoria).

El numero de ARMONICOS es el MULTIPLO DE LA FUNDAMENTAL HZ, i.e.; 3a, 5a, 7a etc…….

Ejemplo:Una Corriente con armonicos de 7a de 0.14p.u. (14%) en un Generador con una X’’d de 0.12 p.u (12%), producira una distorsion de voltaje armonico de:-

Vn = 0.14(14%) X 7(7a armonico) X 0.12(X’’d 12%) = 0.118 p.u , (11.8% distorsion voltaje).

PASO 4. CARGAS NO LINEALES – DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE

Para simplificar la elaboracion de un grafica viene de las formulas anteriores basadas en la distorsion de VOLTAJE contra la reactancia SUBTRANSITORIA (X’’d), para cada tipo de carga no lineal, i.e.., 12 , 6, o 4 PULSOS.

LA DISTORSION ARMONICA TOTAL DE VOLTAJE (THDV) = T.H.D = Vn2 + Vn2 + Vn2 …


0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20DISTORSION DE VOLTAJE (%)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

RE

AC

TA

NC

IA S

UB

TR

AN

SIT

OR

IA (

%)

VALORES DE REACTANCIA SUBTRANSITORIA PARA LIMITES DE DISTORSION DE VOLTAJE

12 PULSOS 6 PULSOS 4 PULSOS

ARMONICOS



CALCULAR LOS NIVELES DE DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE

Un Generador de 1000 kVA, 415V, 3ph a 50Hz, con una Reactancia Subtransitoria de 14%, suministra potencia para un sistema UPS de 175 kVA, 6 pulsos,

El UPS tiene una distorsion de corriente de 30%, (Sin FILTRAR), una eficiencia de 0.95 p.u, un factor de potencia de carga de baterias de 1.25 p.u,. CALCULAR LA DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE OCASIONADA POR LA CARGA DEL UPS.

REQUERIMIENTO DE ENTRADA DE kVA = (175 kVA RUN / 0.95 efficiency) X 1.25 loading = 230 kVA

REACTANCIA SUBTRANSITORIA = Kva DE ENTRADA AL UPS / kVA del GENERADOR X X’’d

REACTANCIA SUBTRANSITORIA = ( 230 kVA / 1000 kVA) X 0.14 (14%) = 0.0322 p.u.

X’’d = 3.22 %

LA DISTORSION DE VOLTAJE SE CALCULA DE LA GRAFICA DE X’’d

EJEMPLO 1



0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20DISTORSION DE VOLTAJE (%)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

RE

AC

TA

NC

IA S

UB

TR

AN

SIT

OR

IA (

%)



Con una X’’d de 3.22 % operando un UPS de 6 pulsos = Distorsion de Voltaje de 9.0 %

ARMONICOS

EJEMPLO 1 cont.



CALCULAR LOS NIVELES DE DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE

Un Generador de 800 kVA, 3ph, 415V a 50Hz, con una reactancia subtransitoria de 12% es requerido para realizar un arranque suave de un motor de 250 hp, 12 pulsos. El motor tiene un kVA de arranque de 2 X kVA plena carga, una eficiencia de 92%, y un factor de potencia en operacion de 0.8pf. CALCULAR LA DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE DURANTE PARA EL ARRANQUE DEL MOTOR.

kW MOTOR (de los H.P) = 250 H.P X 0.746 = 186.5 kW

REQUERIMIENTOS DE ENTRADA DE kVA = 186.5 kW / ( 0.92 eficiencia X 0.8 pf ) = 253.4 kVA

REQUERIMIENTOS DE ARRANQUE kVA = 253.4 kVA X 2 (kVA de arranque) = 507 kVA

REACTANCIA SUBTRANSITORIA = kVA ARRANQUE DEL MOTOR / kVA GENERADOR X X’’d

REACTANCIA SUBTRANSITORIA (X’’d) = 507 kVA / 800 kVA X 0.12 (12%) = 0.76 p.u.

X’’d = 7.6%

LA DISTORSION DE VOLTAJE SE CALCULA AHORA DE LA GRAFICA X’’d

EJEMPLO 2



0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20VOLTAJE DISTORTION (%)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

RE

AC

TA

NC

IA S

UB

TR

AN

SIT

OR

IA (

%)



Para un X’’d de 7.6 %, arranque suave a 12 pulsos = Distorsion de Voltaje de 6.0 %

ARMONICOS

EJEMPLO 2 cont.



DETERMINANDO EL TAMAÑO DEL GENERADOR PARA UN NIVEL DE DISTORSION ARMONICO DADOCALCULAR EL TAMAÑO DEL GENERADOR ADECUADO PARA ESTA APLICACION.

Un Generador es requerido para suministrar potencia a una planta de tratamiento de agua, la cual tiene dos bombas de agua, cada una accionadas por un motor de velocidad variable de 150 kWatt. Otras cargas en operacion continua son de = 230 kVAEl nivel de distorsion maximo permitido es de = 15%

Los Drives del motor son de 6 pulsos, 3 ph, 480V a 60 Hz, con una corriente de distorsion armonica de 30%.EFICIENCIA DEL MOTOR = 93 %, FACTOR DE POTENCIA = 0.92 pf .

kW MOTOR = 150 kW X 2 Motores = 300 kW

Kva de entrada de MOTOR = 300 kW / ( 0.93 eficiencia X 0.92 f.p. ) = 351 kVA

CARGA TOTAL RUNNING = 351 kVA (Motores) + 230 kVA (Base) = 581 kVA

De la grafica de X’’d, CALCULAR LA REACTANCIA SUBTRANSITORIA A 15% DE DISTORTION VOLTAJE :-

EJEMPLO 3



0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20VOLTAJE DISTORTION (%)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

RE

AC

TA

NC

IA S

UB

TR

AN

SIT

OR

IA (

%)



Para un sistema de 6 PULSOS con una distorsion de voltaje MAXIMA de 15 %, X’’d = 5.3%

EJEMPLO 3 cont.



DETERMINANDO EL TAMAÑO DEL GENERADOR PARA UN NIVEL DE DISTORSION ARMONICO DADO

kW MOTOR = 150 kW X 2 Motors = 300 kW REQUERIMIENTO DE ENTRADA kVA = 300 kW / (0.93 eficiencia X 0.92 f.p.) = 351 kVA CARGA BASE TOTAL = 351 kVA (Motors) + 230 kVA (Base) = 581 kVA

DE LA GRAFICA LA REACTANCIA SUBTRANSITORIA PARA UNA DISTORSION DEL 15% X’’d = 5.3 %

EN CLASE F El tamaño de generador requerido para una CARGA base total de 581 kVA es HC534D @ 588 kVA

UTILIZANDO LAS HOJAS TECNICAS DE ESTE MODELO HC534D, LA REACTANCIA SUBTRANSITORIA X’’d @ 480V, 60 Hz = 10%.CARGA MAXIMA NO LINEAL PARA UN HC534D, A 5.3 % X’’d SERA :- REACTANCIA SUBTRANSITORIA 0.053 (5.3%) / 0.10 ( 10%) X 644 kVA (Generador CLASR H)

CARGA NO LINEAL MAXIMA @ 15 % THD = 0.53 X 644 kVA = 341 kVA

LA CARGA DEL MOTOR ES 351 kVA, ENTONCES EL GENERADOR HC534D NO GARANTIZARA UNA DISTORSION DE VOLTAJE 15% O MENOS.

EJEMPLO 3 cont.

REVISAR LAS CARACTERISTICAS INICIALMENTE ASUMIDAS (Ejem. EFICIENCIA, F.P. ETC), ANTES DE SELECCIONAR EL SIGUIENTE TAMAÑO

DE GENERADOR.



PARA CLASE F, EL SIGUIENTE TAMAÑO SERA UN HC534E = 675 kVA

UTILIZANDO LAS HOJAS TECNICAS PARA UN GEN HC534E, LA REACTANCIA SUBTRANSIENTE @ 480V, 60 Hz, = 10%.

CARGA MAXIMA NO LINEAL PARA UN HC534D, A 5.3 % X’’d SERA DE :-

REACTANCIA SUBTRANSITORIA 0.053 (5.3%) / 0.10 ( 10%) X 750 kVA (Generador CLASE H)

CARGA MAXIMA NO LINEAL @ 15 % THD = 0.53 X 750 kVA = 397 kVA

DETERMINANDO EL TAMAÑO DEL GENERADOR PARA UN NIVEL DE DISTORSION ARMONICO DADO

kW MOTOR = 150 kW X 2 Motors = 300 kW REQUIREMENT DE ENTRADA DE kVA = 300 kW / (0.93 eficiencia X 0.92 f.p.) = 351 kVA CARGA TOTAL = 351 kVA (Motores) + 230 kVA (Base) = 581 kVA

DE LA GRAFICA DE REACTANCIAS SUBTRANSITORIAS PARA UNA DISTORSION DE 15% X’’d=5.3 %

EJEMPLO 3 cont.

EL GEN HC534E ES ADECUADO PARA ESTA APLICACION CON UN LIMITE DE DISTORSION DE VOLTAJE DE 15 %.



PASO 5. SELECCIONAR TAMAÑO DEL GENERADOR.

SE PUEDE EVITAR EL EXCEDERSE AL DETERMINAL EL TAMAÑO DEL GENERADOR TRAVES DE UN PROCESO CUIDADOSO DE SELECCION DEL ARRANQUE DEL MOTOR.

(Hasta donde sea posible) :- APLIQUE PRIMERO LA CARGA BASE para estabilizar el sistema de control del motor- Generador. ESTABLESCA UN ARRANQUE SECUENCIAL de cargas con motor, para reducir los requerimeintos de kVA en el ARRANQUE. ARRANQUE EL MOTOR MAS GRANDE PRIMERO, para evitar que se dejen fuera otras cargas que esten operando. ARRANQUE HASTA EL FINAL LAS CARGAS SENSIBLES A LA FRECUENCIA, (tales como cargas no lineales, para evitar las caida de VOLTAJE y velocidad (Hz) ocasionadas DURANTE el arranque de motores. BALANCEE LAS CARGAS MONOFASICAS, para reducir DESBALANCEO DE corrientes en cada una de las fases.

REVISAR EL PROCESO DEL ARRANQUE DEL MOTOR Y LA DISTRIBUCION DE LA CARGA

PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAL EL TAMAÑO DEL GENERADOR


HAGA UNA LISTA DE LOS REQUERIMIENTOS MAXIMOS DE kVA PARA CADA UNO DELOS FACTORES DE LA CARGA :-

1. MAXIMO ESTADO ESTABLE (CARGA CONTINUA).

2. REQUERIMIENTO MAXIMO DEL ARRANQUE DEL MOTOR CON UNA CAIDA DE VOLTAJE MAXIMA PERMITIDA.

3. REQUERIMIENTOS MAXIMOS DE CARGAS NO LINEALES DENTRO DE LA T.H.D. MAXIMA PERMITIDA

4. INCLUIR FACTORES DE AJUSTE DE LA POTENCIA HASTA OBTENER SU RESULTANTE EN kVA.

SELECCIONE EL TAMAÑO DE GENERADOR QUE CUMPLE CON LA DEMANDA MAXIMA DE LOS FACTORES ANTERIORES.







EL TAMAÑO DEL GENERADOR HA SIDO COMPLETADO !

PASO 5. SELECCIONANDO EL TAMAÑO DEL GENERADOR


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ARMONICOS EN LA FORMA DE ONDA

Npt22 Determinando El Tamaño Del Generador

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