11_ASEI_6_a

Tierras eléctricasLibro de texto
6- Corrección del factor de potencia en presencia de armónicas
Armónicas en Sistemas Eléctricos Industriales, Armando Llamas, Salvador Acevedo, Jesús Baez, Jorge de los Reyes, Innovación Editorial Lagares, Monterrey, 2004.
Centro de Estudios de Energía -all
Contenido
Corrección del factor de potencia en presencia de armónicas
Ventajas del uso de filtros para corrección de factor de potencia
Armónicas de sintonía y de resonancia paralelo
Conexiones de transformadores en presencia de armónicas
Transformador -Y con cargas no lineales monofásicas
Conexión -Y/
Filtro de armónicas
Conexión serie de un capacitor y un reactor, razón por la que reciben el nombre de filtros LC serie.
Filtro de 480 V, 60 Hz, y 70 kVAr, en la fotografía se aprecia el interruptor termomagnético, el reactor con núcleo de hierro y el banco de capacitores, el diagrama ilustra la conexión de estos componentes.
A la frecuencia fundamental (60 Hz) proporciona los VAR para corregir el factor de potencia de desplazamiento y a las frecuencias superiores a la de sintonía proporciona una trayectoria de baja impedancia para ciertas armónicas producidas por las cargas, lo cual se traduce en un mejor factor de potencia de distorsión y por lo tanto en un mejor factor de potencia total.
¿Capacitor o filtro?
Limitan la Corriente de Energización de los Capacitores
Atenúan los disturbios en el voltaje ocasionados por la conexión de capacitores
Atenúan la magnificación de voltajes ocasionada por conexión de bancos en media tensión
Efecto de la conexión de bancos de capacitores y filtros en la amplificación de las armónicas
Armónicas que serán amplificadas por el filtro
Efecto de conectar filtro en la distorsión de voltaje y corriente
Evitan Resonancia Serie
V CFE distorsionado
La combinación serie de la inductancia del transformador (Ls) el capacitor (C) presenta una impedancia baja a una de las armónicas existentes en el voltaje primario

Limitan la corriente de energización de los capacitores

Atenúan los disturbios en el voltaje ocasionados por la conexión de capacitores
Energización del primer banco
Energización del primer banco
reactor cuando el primero ya está
puesto
El reactor aminora los sobrevoltajes transitorios
Atenúan la magnificación ocasionada por conexión de bancos en media tensión
Estimación de la armónica de resonancia
En caso de que los voltajes tengan distorsión considerable, se deben emplear las componentes fundamentales de los voltajes.
Sistema con filtro e impedancia vista desde A-B
Impedancia en función de h y armónica de resonancia paralelo
MVAr son los MVA del banco de capacitores a voltaje nominal del sistema y MVAsc son los de corto circuito
220 V de voltaje nominal, 0.0126 MVA del banco de capacitores a 220 V y 60 Hz, 5 MVA de corto circuito y 4.7 de frecuencia de sintonía del filtro
Estimación de sintonía del filtro y porcentaje del reactor
Estimación de la armónica de resonancia paralelo
Voltajes de 60 Hz
Ejemplo 1
Al instalar un banco de capacitores de 60 kVAr 480 V en un transformador de 300 kVA, 13.8 kV D / 480 V Y, se presenta resonancia serie en la quinta armónica.
¿De que valor es el nivel de corto circuito en baja tensión?
¿Qué valor tiene la reactancia de corto circuito en pu tomando como base los nominales del transformador?
Solución: La reactancia de corto circuito en serie con la reactancia de dispersión del transformador da lugar a la reactancia de corto circuito en terminales da baja tensión del transformador. La combinación serie de ambas reactancias se combina en serie con el banco de capacitores y se forma el equivalente de un filtro visto por la fuente VNL. El voltaje VNL tiene quinta armónica y debido a la baja impedancia del “filtro” visto por VNL hay alta corriente de quinta armónica en i. La armónica de sintonía da lugar a que la reactancia de corto circuito en baja tensión sea igual a la reactancia del banco de capacitores. La ecuación mostrada proporciona el valor de la armónica,
y la reactancia de corto circuito en baja tensión en pu tomando como base los nominales del transformador es 300/1500=0.2 pu. El voltaje vH es el voltaje en media tensión, vX es el voltaje en baja tensión, ambos referidos a baja tensión.
Ejemplo 2
En un planta con un transformador de 300 kVA se requieren 70 kVAr para corregir el factor de potencia. La potencia de corto circuito en media tensión es 15 MVA. La impedancia del transformador es 6.75%. Si se coloca un banco de capacitores, determine la armónica de resonancia serie y resonancia paralelo. Si se instala un filtro de armónicas sintonizado a la armónica 3.8, determine la armónica de resonancia.
Solución:
Elevación de voltaje y kVAr efectivos
Diagrama unifilar con filtro de armónicas y circuito por fase de la Y equivalente
Reactancia efectiva del filtro a frecuencia fundamental:
Potencia efectiva y elevación de voltaje
La potencia reactiva que entrega el banco de capacitores está dada por:
La potencia reactiva que entrega el filtro de armónicas está dada por:
Elevación de voltaje, la diferencia de la magnitud del voltaje con el filtro conectado y la magnitud del voltaje con el filtro desconectado entre la magnitud del voltaje con el filtro conectado:
Ejemplo 3
En un transformador de 2 MVA e impedancia del 7% se instalan filtros formados por bancos de capacitores de 700 kVAr sintonizados a la 3.8. La potencia de corto circuito en terminales del primario del transformador es de 200 MVA. Obtenga los kVAr efectivos y el porcentaje de elevación de voltaje que ocasiona la conexión del filtro de armónicas.
Solución:
El porcentaje de aumento de potencia reactiva es 3.82/(3.82-1) = 1.074, de tal manera que los kVAr efectivos son 700 x 1.074 = 752
La potencia de corto circuito es de 1/(1/200+.07/2)=25 MVA, la elevación es 0.752/25 = 3.0%.
Conexiones de transformadores en presencia de armónicas
Las conexiones de transformadores trifásicos cambian el contenido armónico dependiendo del lado en que se mida la distorsión.
En casos balanceados, las conexiones pueden filtrar algunas armónicas de las líneas del primario de los transformadores. Es incorrecto suponer que el hecho de que éstas líneas no contengan ciertas armónicas garantice que las corrientes de las frecuencias filtradas no circulen los devanados de los transformadores. Las corrientes circularán por los transformadores y por los neutros de las conexiones estrella.
Transformador -Y con cargas no lineales monofásicas
Las cargas no lineales son iguales, por lo que el circuito es trifásico balanceado
Cargas No Lineales Monofásicas
Circuito modelado en EMTP para obtener un espectro similar
a
n
corriente
-200
-100
0
100
200
0
90
180
270
Resultados de la simulación en EMTP
La corriente en el neutro es de una frecuencia de 180 Hz y en este caso su valor rms es 1.72 veces el valor rms de cualquiera de las fases
30
-30
-15
0
15
0
180
360
540
grados eléctricos
corriente (A)
Fase c
Corrientes en cada fase en el lado de la carga y en el neutro común de retorno, para 2 ciclos de 60 Hz
corriente (A)
Corriente en la fuente de alimentación y su espectro armónico
corriente (A)
grados eléctricos
voltaje (V)
grados eléctricos
Resumen de los resultados de la simulación
Sheet: Sheet1
Análisis Eléctrico
Corriente de fase A en el primario
Corriente demandada por fuentes reguladas por conmutación
-9
-6
-3
0
3
6
9
0
90
180
270
regulada por conmutación
Corrientes balanceadas no dan lugar a corriente cero por el neutro
1
2
3
4
5
6
ia
ib
ic
Corrientes balanceadas
el neutro
Formas de onda de voltajes al neutro y corrientes de línea en un transformador
Figura 1
Diagrama Unifilar de un Sistema de Potencia que alimenta a dos Cargas Trifásicas No Lineales Semejantes.
Modelos Utilizados para Simular las Cargas Trifásicas No Lineales y las formas de onda obtenidas con cada uno de ellos
Sheet: Sheet1
Diagrama Esquemático de la Conexión que muestra todas las Corrientes analizadas
Voltaje y Corriente de Fase A en una de las Cargas No Lineales. Espectro Armónico de la Corriente
Sheet: Chart1
Sheet: Sheet1
Voltaje y Corriente de la Fuente de Alimentación. Espectro Armónico de la Corriente
Sheet: Chart1
Transformador Y – D en Microtran
*
*
* (saved into file C:\DATOS\MATERIAS\MT\trf2.trf)
51 a1 a3INVERSE 0.2202200000E+00 0.1426570091E+00
52 b1 b0 0.0000000000E+00-0.2470893030E+00
0.7340659821E-01 0.4279714263E+00
52 b2 b0 0.0000000000E+00-0.2470893030E+00
0.7340659821E-01 0.4279714263E+00
52 b3 b0 0.0000000000E+00-0.2470893030E+00
0.7340659821E-01 0.4279714263E+00
*
b0 -1 100 .001 1
$ = = = End of level 2: Switches and piecewise linear elements = = = = = = = =
*
1 **** All voltages will be printed ****
$ = = = Level 5: End of data case = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
ITM
Reactor
Capacitor
Armónicas que serán atenuadas
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
024681012
h
C
LL
X
V
kVAr
2
Corriente de línea
0
20
40
60
80
100
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Armónica
-200
-100
0
100
200
0
0.0042
0.0083
0.0125
-200
-100
0
100
200
0
0.00417
0.00835
0.01252
0
6
12
18
24
30
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Armónica
% de
Fundamental
-10
-5
0
5
10
0
90
180
270
in
In rms = 5.13 A; Ia rms = 3.00 A rms; In / Ia = 1.71
(grados eléctricos)
-400
-200
0
200
400
0
90
180
270
-400
-200
0
200
400

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