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Eliminación de armónicos en instalaciones

Índice

Armónicos .......................................................................2 Definición, origen y tipos de armónicos ................................................2Valores armónicos característicos ..................................................... ...5Efectos de los armónicos .....................................................................7

Eliminación de armónicos ..............................................12 Estrategias frente a los armónicos .......................................................12 Aceptación de los armónicos................................................................12Soluciones de Schneider Electric para eliminar los armónicos ............13

AccuSine

Acondicionadores de armónicos activos .....................14 Procedimiento para implementar el acondicionamiento activo .............20

Schneider Electric Edición de 09/2015 pág. 1

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Armónicos (cont.)

Definición, origen ytipos de armónicos

Armónicos Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales con una frecuencia que esun múltiplo entero (k) de la frecuencia del sistema de distribución, denominadafrecuencia fundamental (50 o 60 Hz).Cuando los armónicos se combinan con la corriente o la tensión fundamental

sinusoidal respectivamente, distorsionan la forma de onda de la corriente o latensión (consultar Fig. 3.1).Los armónicos se identifican generalmente como Hk, donde la k es el orden de losarmónicos.

• IHk o UHk indican el tipo de armónico (corriente o tensión).

• IH1 o UH1 designan la corriente o la tensión sinusoidal a 50 o 60 Hz cuando no

hay armónicos (corriente o tensión fundamental).

H1 (50 Hz)

H3 (150 Hz)

H1 + H3

Fig. 3.1. Distorsión de H1 (fundamental) en H3 (armónico de tercer orden).

Las cargas no lineales como causa Los equipos que cuentan con electrónica de potencia son la principal causa de los

armónicos. Para alimentar la electrónica con potencia en CC, el equipo cuenta con

una fuente de alimentación conmutada con un rectificador en la entrada que obtienelas corrientes armónicas.

Algunos ejemplos son los ordenadores, los motores de velocidad variable, etc.

Otras cargas distorsionan la corriente debido a su principio operativo y también

producen armónicos.

Algunos ejemplos son los fluorescentes, las lámparas de descarga, las máquinas

soldadoras y los dispositivos de núcleo magnético que se pueden saturar.

Todas las cargas que distorsionan la corriente sinusoidal normal producen

armónicos y se denominan cargas no lineales.

PC Motor de velocidad variable Lámpara fluorescente

Fig. 3.2. Ejemplos de cargas no lineales que producen armónicos.

Cargas lineales y no linealesLa alimentación de la red eléctrica proporciona 50/60 Hz de tensión sinusoidal a las

cargas. La forma de onda de la tensión proporcionada por la fuente como respuesta

a las necesidades de carga depende del tipo de carga.

Cargas linealesLa corriente que se obtiene es sinusoidal con la misma frecuencia que la tensión. La

corriente puede estar desplazada (ángulo ϕ) con respecto a la tensión.

• La ley de Ohm define una relación lineal entre la tensión y la corriente (U = ZI) con

un coeficiente constante, la impedancia de la carga. La relación entre la corriente y

la tensión es lineal.

Algunos ejemplos son las bombillas estándar, los calefactores, las cargas resistivas,

los motores o los transformadores.


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Armónicos (cont.)

• Este tipo de carga no contiene componentes electrónicos activos, sino únicamenteresistencias (R), inductores (L) y condensadores (C).

Cargas no lineales• La corriente consumida por la carga es periódica, pero no sinusoidal. La forma de

onda de la corriente queda distorsionada por la corriente de los armónicos.• La ley de Ohm que define la relación entre la corriente y la tensión total (1) ya no

es válida porque la impedancia de la carga varía más de un periodo (consultar Fig.

3.3). La relación entre la corriente y la tensión no es lineal.

• La corriente consumida por la carga es, de hecho, la combinación de:

- Una corriente sinusoidal denominada fundamental, a una frecuencia de 50 o 60

Hz.

- Armónicos, que son corrientes sinusoidales de una amplitud inferior a la de la

fundamental, pero cuya frecuencia es un múltiplo de la fundamental que define el

orden del armónico [por ejemplo, el armónico de tercer orden tiene una frecuencia

de 3 x 50 Hz (o 60 Hz)].

(1) La ley de Ohm se aplica a cada tensión y corriente del mismo orden armónico, Uk = Zk Ik,donde Zk es la impedancia de carga para un orden específico, pero ya no es válida para lacorriente y la tensión total.

Cargas lineales, cargas no lineales, ver cap. 1 pág. 11 "Calidad de alimentacióncon SAI".

Un ejemplo son las cargas RCD (resistencia,

condensador, diodo) que se encuentran en la

mayoría de las fuentes de alimentación que se

utilizan en dispositivos electrónicos.

● El condensador C, en ciertas condiciones de

estado estable, solo se carga cuando la

tensión de línea instantánea es superior a la

tensión de sus terminales.

● A partir de ese punto, la impedancia de

carga es baja (diodo activado). Antes, la

impedancia era alta (diodo desactivado).

● Por tanto, la impedancia de una carga no

lineal varía en función de la tensión de sus

terminales.

● La impedancia no es constante y la tensión

y la corriente ya no son sinusoidales.

● La forma de la corriente es más compleja y

se puede representar, utilizando el teorema de

Fourier, añadiendo:

- Una corriente con la misma frecuencia f que

la tensión, denominada fundamental.

- Otras corrientes con las frecuencias kf (k es

un número entero > 1) denominadas

armónicas.

● La figura muestra una idea general de la

corriente de carga con solo dos órdenes de

armónicos, IH3 e IH5. Fig. 3.3. Tensión y corriente para cargas no lineales

Tipos de armónicos y aspectos específicos de losarmónicos de secuencia ceroTipos de armónicosLas cargas no lineales causan tres tipos de corrientes armónicas, todas en órdenesimpares (porque la sinusoidal es una función "impar").

• Armónicos H7 - H13 - …. : secuencia positiva.

• Armónicos H5 - H11 - …. : secuencia negativa.

• Armónicos H3 - H9 - …. : secuencia cero.

Aspectos específicos de los armónicos de secuencia cero (H3 y

múltiplos)Las corrientes de armónicos de secuencia cero [H3 y múltiplos impares, escritoscomo 3(2k+1) donde k es un entero] en sistemas trifásicos se añaden en elconductor neutro.Esto se debe a que su orden 3(2k+1) es un múltiplo del número de fases (3), lo cualsignifica que coinciden con el desplazamiento (un tercio de un periodo) de lascorrientes de fase.


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Armónicos (cont.)

La Figura 3.4 ilustra este fenómeno en un periodo. La corriente de las tres fases sedesplaza un tercio de un periodo (T/3), es decir, los armónicos IH3 respectivos estánen la fase y se añaden los valores instantáneos. En consecuencia:

• Cuando no hay armónicos, la corriente del neutro es igual a cero:

IN = I1+I2+I3 = 0

• Cuando hay armónicos, la corriente del neutro es igual a:I1 + I2 + I3 = 3 IH3 .

Por tanto, debe prestarse especial atención a este tipo de armónicos en lasinstalaciones con un neutro distribuido (aplicaciones de infraestructuras ycomerciales).

Fig. 3.4. Los armónicos de tercer orden y sus múltiplos se añaden en el neutro.


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Armónicos (cont.)

Fig. 3.5. Cuando hay armónicos H3 y sus múltiplos impares, la corriente del neutro ya no esigual a cero, sino la suma de los armónicos de secuencia cero.

Valores armónicoscaracterísticos

El análisis armónico de una corriente no lineal consiste en determinar:

• Los órdenes de los armónicos presentes en la corriente.

• La importancia relativa de cada orden armónico.

Abajo se detallan algunos valores armónicos característicos y relaciones

fundamentales que se utilizan en el análisis de armónicos.Consultar WP

17 Para más información sobre los armónicos, ver cap. 5 y las explicaciones delDocumento Técnico WP 17 "Understanding Power Factor, Crest Factor and SurgeFactor" ("Comprensión del factor de potencia, el factor de cresta y el factor desobretensión").

Valor eficaz de los armónicosEs posible medir el valor eficaz de cada orden de armónicos porque las diferentes

corrientes armónicas son sinusoidales, pero con diferentes frecuencias que son

múltiplos de la frecuencia fundamental.

• IH1 es el componente fundamental (50 o 60 Hz).• IHk es el componente armónico en el que k es el orden de armónicos (k veces 50o 60 Hz).

El análisis de los armónicos se utiliza para determinar los valores.

Corriente eficaz total

Irms IH IH IH IHk

= + + + + +1

2

2

2

3

2 2... ...

Armónicos individuales Cada armónico se expresa como porcentaje, es decir la proporción de su valor

eficaz con respecto al valor eficaz del fundamental. Esta proporción es el nivel del

armónico individual.

Hk% = distorsión del armónico k =

1001

IH

IH

k

Distorsión armónica de tensión y corrienteLas cargas no lineales generan armónicos tanto de tensión como de corriente. Esto

se debe a que, para cada armónico de corriente de carga, hay un armónico de

tensión de alimentación con la misma frecuencia. Como consecuencia, losarmónicos también distorsionan la tensión.

La distorsión de una onda sinusoidal se presenta en forma de porcentaje:

THD* % = distorsión total = 100

rms valueof allharmonics

rms valueof fundamental

* Distorsión armónica total (THD).


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Armónicos (cont.)

Se definen los siguientes valores:

• TDHU % para la tensión, basada en los armónicos de tensión.• TDHI % para la corriente, basada en los armónicos de corriente.El valor de THDI (o de THDU con valores UHk) se mide con la siguiente ecuación:

THDIIH IH IH H

IHk%

... ...=

+ + + + +100 2

2

3

2

4

2 2

1

Factor de cresta

El factor de cresta (Fc), utilizado para caracterizar la forma de la señal (corriente o

tensión), es la proporción entre el valor pico y el valor eficaz.

Fcpeak value

rmsvalue=

A continuación se indican los valores típicos para diferentes cargas:

• Carga lineal: Fc = 2 = 1,414

• Estructura principal: Fc = de 2 a 2,5

• Microordenadores: Fc = de 2 a 3

Espectro de la corriente armónica La definición del espectro de una corriente armónica consiste en determinar la forma

de onda de la corriente y los armónicos individuales, así como ciertos valores como

el THDI y el Fc.

Corriente de entrada de un rectificadortrifásico.

Armónicos individuales

H5 = 33%H7 = 2,7%H11 = 7,3%H13 = 1,6%H17 = 2,6%H19 = 1,1%

H23 = 1,5%H25 = 1,3%

THDI = 35%Fc = 1,45

Espectro armónico y THDI correspondiente.

Fig. 3.6. Espectro armónico de la corriente producida por una carga no lineal.

Factor de potencia

Factor de potenciaEl factor de potencia es la proporción entre la potencia activa (kW) y la potencia

aparente S (kVA) de los terminales de una carga no lineal.

)kVA(S

)kW(P=λ

No es el desplazamiento de fase entre la tensión y la corriente, puesto que ya no

son sinusoidales.

Desplazamiento entre la tensión y la corriente fundamentalesEl desplazamiento de fase ϕ1 entre la tensión y la corriente fundamentales, ambas

sinusoidales, se puede definir como:

)kVA(S

)kW(Pcos

1

11 =ϕ

P1 y S1 son la potencia activa y aparente, respectivamente, del valor fundamental.

Factor de distorsiónEl factor de distorsión se define como:

1cos1

2THDI

1

ϕ λ =−=

+1v

(como se define en IEC60146).

Cuando no hay armónicos, este factor es 1 y el factor de potencia es simplemente el

cos ϕ.


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Armónicos (cont.)

Potencia

Carga linealEn los terminales de una carga lineal trifásica equilibrada, proporcionada con una

tensión fase a fase U y una corriente I, donde el desplazamiento entre U e I es ϕ, losvalores de potencia son:

• P aparente = S = UI, en kVA

• P activa = S cos ϕ, en kW

• P reactiva = Q = S sin ϕ, en kVAr

22 QPS +=

Carga no linealEn los terminales de una carga no lineal, la ecuación para P es mucho máscompleja porque U e I contienen armónicos. No obstante, se puede expresarsimplemente como:

• P = S λ (λ = factor de potencia)

Para los valores fundamentales U1 e I1, desplazados por ϕ1:

• P fundamental aparente = 3IUS 111 =

• P fundamental activa = P1 = S1 cos ϕ1

• P fundamental reactiva Q1 = S1 sin ϕ1

221

21 DQPS ++= D es la potencia de distorsión debida a los armónicos.

Pérdida de potencia aparente Efectos de los armónicos La Figura 3.7 muestra que el producto de multiplicar una tensión en la frecuencia

fundamental sin armónicos por una corriente de tres armónicos es cero al final de un

periodo. Esto se cumple independientemente de cuáles sean la fase y el orden del

armónico.

En los dispositivos eléctricos, losarmónicos no producen potencia activani reactiva, solo pérdidas por el efectoJoule (ri

2 ).

Esto se expresa mediante la relación22

12

1 DQPS ++=

Una parte de la potencia aparente la consumen los armónicos, sin ningún resultado.

• En los dispositivos giratorios, el par de apriete del motor resultante es igual a cero

y solo existe un par de apriete intermitente parasitario, que crea vibraciones.• La única potencia activa presente durante una caída de tensión es el calor que

produce la corriente armónica (Ihk) en un conductor con resistencia r (r IHk2).

Consultar WP

26 Consulte el Documento Técnico WP 26 “Hazards of Harmonics and Neutral

Overloads” (“Peligros de los armónicos y las sobrecargas neutras”) para obtener

más información.


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Armónicos (cont.)

Fig. 3.7. Multiplicaciones de U x I para los valores fundamentales (arriba) y los fundamentalescon armónicos (abajo).

Aumento de la temperatura de los cables El aumento de la temperatura debidoa las corrientes armónicas se suma alaumento de temperatura debido a la

El aumento de temperatura de los cables se expresa como:

Pérdidas =∑

∞

=1n

2IHnr

Corriente en el neutro El neutro debe sobredimensionarse para tener en cuenta las corrientes de

armónicos de tercer orden y susmúltiplos.

Todas las corrientes de armónicos de tercer orden y sus múltiplos impares se

añaden en el neutro (consultar Fig. 3.8). La corriente del neutro puede ser hasta 1,7veces la de las fases.

ConsecuenciasPérdidas significativas en el neutro

r Ineutro2 = aumento de temperatura en el neutro


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Armónicos (cont.)

Fig. 3.8. Los armónicos de tercer orden y sus múltiplos se añaden en el neutro.

Cargas autocontaminantesEl valor THDI de la distorsión de la corriente, causado por la carga, genera el valor

THDU de la distorsión de la tensión causado por las corrientes armónicas que fluyen

por las diferentes impedancias de la fuente hacia abajo. La Figura 3.9 muestra las

diferentes formas de distorsión en una instalación eléctrica común.

La distorsión de la tensión refleja la dela corriente y aumenta al ritmo de lasuma de las impedancias aguas arribade la carga no lineal.

Fig. 3.9. Efectos de los armónicos en la instalación.


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Armónicos (cont.)

Riesgo de avería del condensador El valor de la corriente de un condensador es:

En resumen, cuanto mayor sea elcontenido de los componentes deorden superior de la tensión, peor

será el estado del condensador. Amenudo es necesario utilizarcondensadores reforzados.

.I = U C ω

Para una corriente armónica de orden k, la frecuencia angular es igual a ω = 2π k f, y

la corriente es igual a:

.I = 2 π k f U Cdonde f = frecuencia fundamental y k = orden de armónicos.

El valor de la corriente aumenta con k. Además, para una frecuencia armónica, también puede haber resonancia (1) delcondensador (capacitancia C) con la inductancia equivalente (L) de la fuente(transformador, básicamente inductivo) en paralelo con la de las otras cargassuministradas. Este circuito resonante (consultar Fig. 3.10) amplifica notablementela corriente armónica del orden correspondiente, de modo que empeora el estadodel condensador.

(1) Esto ocurre si, para un orden armónico k, con una frecuencia fk = k x 50 (o 60) Hz, LC ωk2 ˜

1, donde ω= 2 π fk.

resonantLC circuit All

non-linear loads

Sourceimpedance

(transformer) inparallel with that

of other loadssupplied

harmonic currents

IH

L C

Fig. 3.10. Efectos de los armónicos con condensadores, riesgo de resonancia.

Consecuencias• Riesgo de avería del condensador.

• Riesgo de resonancia por la presencia de inductores.

Deben respetarse ciertos límites:• U máx. = 1,1 Un

• I máx. = 1,3 In

• THDU máx. = 8%

• Selección del tipo de condensador, en función del caso, es decir estándar, de

clase h (aislamiento reforzado), con inductores armónicos.

Desclasificación de los transformadoresSe combinan una serie de efectos:

En términos generales, losarmónicos crean una desclasificaciónde la fuente que es inversamente proporcional al factor de alimentaciónde carga, es decir, cuanto menor seael factor de potencia, más deberá

• Debido al efecto del revestimiento, la resistencia de un bobinado del

transformador aumenta con el orden de los armónicos.

• Las pérdidas ocasionadas por la histéresis son proporcionales a la frecuencia.

• Las pérdidas debidas a las corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado

de la frecuencia.Consecuencias De acuerdo con la norma NFC 52-114, la potencia de los transformadores debe

desclasificarse aplicando un coeficiente k a su potencia nominal, como:

∑∞=

=

+

=n

2n

1,62nnH0,11

1k

Se trata de una ecuación empírica.

Otras normas nacionales recomiendan la desclasificación utilizando un factor k

similar que depende del país (p. ej. BS 7821 Parte 4, IEE 1100-1992). EjemploUn transformador de 1.000 kVA ofrece un puente rectificador de seis pulsos que

genera los siguientes armónicos:H5 = 25%, H7 = 14%, H11 = 9%, H13 = 8%.

El coeficiente de desclasificación es k = 0,91.

En consecuencia, la potencia aparente del transformador es de 910 kVA.


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Armónicos (cont.)

Riesgo de generadores con perturbaciones

De un modo similar a los transformadores, los generadores sufren mayores pérdidas

debido a la histéresis y las corrientes de Foucault. En términos prácticos, el valorTHDI de la corriente del generador no

debe superar el 20%. Por encima deese porcentaje, es necesariodesclasificar.

• La reactancia subtransitoria X"d aumenta en función de la frecuencia.• El campo giratorio "armónico" rastrea el rotor a una frecuencia diferente a la

frecuencia de sincronismo (50 o 60 Hz).

Consecuencias• Creación de un par de apriete parasitario que reduce la eficacia de la conversión

de mecánico a eléctrico.

• Pérdidas adicionales en los bobinados del inductor y el humectador del rotor.

• Presencia de vibración y ruido anormal.

Pérdidas en los motores asíncronos Los armónicos producen los siguientes efectos en los motores asíncronos:

• Aumentos en las pérdidas en hierro y Joule (pérdidas de estátor).

• Par de apriete intermitente (pérdidas de rotor con disminución de la eficacia

mecánica). El valor de THDU debe ser inferior al 10% para limitar este fenómeno.

Efectos en otros equiposLos armónicos también pueden perturbar el funcionamiento de los siguientes

equipos:

• Unidades de disparo no eficaz, que ocasionan la molesta desconexión de los

disyuntores

• Centrales telefónicas automáticas

• Alarmas

• Dispositivos electrónicos sensibles

• Sistemas de control remoto

Efectos en sistemas SAI recientesLos sistemas SAI modernos tienen frecuencias de recorte elevadas (PWM) y una

impedancia de salida muy baja (equivalente a un transformador cinco veces más

potente).

En comparación con las cargas no lineales, estos SAI ofrecen:

• Pérdidas limitadas

• Funcionamiento en modo de limitación de corriente

• Distorsión de tensión muy baja (THDU < 3%)

Los SAI son un medio excelente para ofrecer cargas no lineales.

ConclusiónLos armónicos pueden tener efectos nocivos en las instalaciones eléctricas y en la

calidad del funcionamiento.

Por ello, las normas internacionales estipulan niveles de compatibilidad de

armónicos cada vez más precisos para los equipos y establecen límites para el

contenido armónico de los sistemas de distribución públicos.

Para conocer las normas sobre los armónicos, ver cap. 5 p. 28 "Normas del SAI".

En las páginas siguientes se presentan las distintas estrategias frente a losarmónicos y la utilidad de los acondicionadores de armónicos activos AccuSine.

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Eliminación de armónicos

Estrategias frente a los

armónicos

Hay dos estrategias:

• Aceptar y vivir con los armónicos, lo cual significa básicamente que hay que

sobredimensionar los equipos para tener en cuenta los armónicos.

• Eliminar los armónicos, parcial o totalmente, utilizando filtros acondicionadores de

armónicos activos.

Aceptación de los

armónicos Sobredimensionamiento de los equiposDado que los efectos negativos de las corrientes armónicas aumentan con la

impedancia acumulativa de los cables y las fuentes, la solución obvia es limitar la

impedancia total para reducir tanto la distorsión de la tensión como el aumento de la

temperatura.

La Figura 3.11 muestra los resultados cuando se doblan las secciones transversales

de los cables y la potencia nominal de la fuente.

Puesto que el valor de THDU depende principalmente del componente inductivo y,

por tanto, de la longitud de los cables, está claro que esta solución no es muy eficaz

y que simplemente limita el aumento de la temperatura.

La Figura 3.12 muestra que para las corrientes armónicas más fuertes (H3 a H7), la

proporción Lω/R es igual a 1 para los cables con una sección transversal de 36mm². En consecuencia, por encima de los 36 mm², es necesario reducir la

impedancia utilizando un cable multinúcleo para crear impedancias paralelas.

Para los centros de datos, consulte “Harmonic Currents in the Data Center: A

Case Study” (“Corrientes armónicas en el centro de datos: estudio monográfico").

Consultar WP 38

Fig. 3.11. Aumento de las secciones transversales de los cables para limitar la distorsión y laspérdidas.

Fig. 3.12. Influencia de la sección transversal del cable en L ω/R.


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Eliminación de armónicos (cont.)

Soluciones de Schneider

Electric para eliminar los

armónicos

Existen diferentes tipos de soluciones para eliminar los armónicos.

Filtros, ver cap. 1 p. 27 “ Selección de un filtro” .

Filtros pasivosLos filtros LC pasivos se ajustan a la frecuencia que debe eliminarse o atenúan una

banda de frecuencias. Los sistemas de recombinación armónica (doble puente,

cambio de fase) también se pueden incluir en esta categoría.

• A petición, Schneider Electric puede integrar este tipo de filtro en sus soluciones.

Los filtros pasivos tienen dos inconvenientes principales:

• La eliminación de los armónicos solo es eficaz para una instalación específica, es

decir, la incorporación o eliminación de cargas puede interrumpir el sistema de

filtrado.

• A menudo son difíciles de implementar en las instalaciones que ya existen.

Filtros activos / acondicionadores de armónicos activosLos filtros activos, también denominados acondicionadores de armónicos activos,

como AccuSine, cancelan los armónicos inyectando corrientes armónicas

exactamente iguales donde surgen. Este tipo de f iltros reaccionan en tiempo real (esdecir, de forma activa) frente a los armónicos existentes para eliminarlos. Son más

eficaces y flexibles que los filtros pasivos, evitan sus inconvenientes y, en

comparación, constituyen una solución que:

• Ofrece un gran rendimiento (es posible eliminar totalmente los armónicos, hasta el

orden 50º).

• Es flexible y se puede adaptar (posibilidad de configurar la acción) y reutilizar.

Tabla de resumen de las posibles estrategias frente a los armónicosEstrategia Ventajas Inconvenientes Soluciones de Schneider ElectricAceptación de los armónicos

Aumento de los valores

nominales de las fuentes

o las secciones

transversales de loscables

Reducción del valor

THDU de la

alimentación mediante

la reducción de laimpedancia de la

fuente. Reducción de

las pérdidas Joule.

Difícil en las soluciones existentes. Solución costosa

que se limita a reducir el componente resistivo de las

secciones transversales pequeñas (la inductancia

permanece constante). Requiere cables paralelos para las secciones

transversales grandes. No evita las perturbaciones

aguas arriba de la instalación. No cumple las normas.

Alimentación especial

para cargas no lineales

Limita las

perturbaciones en

cargas colindantes

mediante el

desacoplamiento.

Igual que el punto anterior.

Armónicos eliminados parcialmenteFiltros pasivos ajustados Solución sencilla. Solo para una o dos órdenes de armónicos. Los filtros

de banda ancha no son muy eficaces. Posibilidad de

resonancia. Se necesita un trabajo de diseño costoso.

Gama de filtros pasivos Incluye soluciones de doble puente y

cambio de fase.

Inductores aguas arriba

de las cargas no lineales

Reducción de las

corrientes armónicas.

Limita los efectos de

las sobretensiones

transitorias.

Aumento del valor de THDU en los terminales de la

carga.

Transformadores

especiales

Eliminación solo de ciertos órdenes de armónicos.

Construcción no estándar.

Armónicos eliminados completamente Acondicionadores de

armónicos activos

Solución sencilla y

flexibleEs posible eliminar los armónicos totalmente (hasta el

orden 25º), sistema adaptable (configuración de la

acción) y reutilizable.

Acondicionadores activos

AccuSine


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AccuSine Acondicionadores de armónicos activos

Acondicionadores activos

AccuSine

Características de AccuSineAcondicionadores de armónicos activos AccuSineLos acondicionadores de armónicos activos AccuSine constituyen un enfoque más

general del problema de los armónicos. Estos filtros activos no solo son para una

unidad SAI, sino que están diseñados para eliminar los armónicos de toda lainstalación. AccuSine se adapta especialmente bien a las aplicaciones industriales y deinfraestructuras de media potencia, y ofrece corrientes acondicionadoras de 20 a480 A en sistemas trifásicos con un neutro.Estas soluciones se describen en la siguiente sección.

La tabla siguiente resume las principales características.

Gama Niveldepotencia

Sistemasde 50/60 Hz

Característicasprincipales

Aplicaciones

AccuSine De 20 a480 A

De 380 a415 V

3 Ph+Ny 3 Ph

● Filtrado hasta H25

● Acondicionamiento

activo digital con:- Análisis yacondicionamiento deórdenes individuales- Tiempo de respuesta de40 ms para fluctuacionesde carga

Filtrado de sistemasindustriales,

comerciales y deinfraestructuras demedia potencia,3Ph+N y 3 Ph,cargas monofásicas

Ventajas del acondicionamiento de armónicos activosAccuSine• Solución de banda ancha de H2 a H25 con acondicionamiento individual de cada

fase.

• Es posible seleccionar órdenes de armónicos individuales para

acondicionamiento.

• No existe riesgo de sobrecargas, límites de acondicionamiento en la potencia

nominal máxima, aunque la alimentación de carga supere el valor nominal.

• Se adapta automáticamente a todos los tipos de cargas, monofásicas y trifásicas.

• Compatible con todas las disposiciones de conexión a t ierra del sistema.

• Corrección de factor de potencia.

• Económico, cuando los armónicos están cortados por la mitad, las pérdidas se

reducen cuatro veces.

• Se puede reutilizar en otras instalaciones.

• Se puede actualizar con unidades conectadas en paralelo.

• Muy compacto.

• Instalación sencilla, con transformadores de corriente aguas arriba y aguas abajo.

Principio de funcionamientoLa fuente alimenta exclusivamente el componente fundamental (IF) de la corriente

de carga.

El acondicionador activo mide en tiempo real los armónicos (IH) producidos por la

carga y los alimenta.

Aguas arriba del punto A, donde se ha conectado el acondicionador, la corriente

fundamental IF no se alta, y aguas abajo la carga obtiene la alimentación de la

corriente no lineal IF + IH.


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SourceIH Non-linear

load

Active harmonicconditioner

IF

A

Measurement of load

harmonics

Injection of compensation

current

IF + IH

Fig. 3.13. Acondicionamiento armónico de AccuSine.

Modos de funcionamientoModo digital, acondicionamiento de órdenes individuales

El modo de funcionamiento básico de AccuSine es digital, con un sensor decorriente, conversión analógica/digital de las mediciones de corriente y cálculo entiempo real del espectro armónico. Esta información se suministra al inversor para lacompensación de los órdenes de armónicos individuales.El tiempo de respuesta para las fluctuaciones de la carga es de 40 ms (dos ciclos).

Diagrama operativoLa potencia necesaria para el acondicionamiento se obtiene del sistema de

distribución trifásico y se almacena en el inductor L y los condensadores cargados

con +Vm y -Vm respectivamente (consultar Fig. 3.14).

En función del signo de la corriente armónica que se necesite, se modula la anchura

de impulsos de un condensador u otro. Esto significa que puede utilizarse la misma

conexión con sistema de alimentación para obtener la alimentación e inyectar los

armónicos.

La potencia enviada a la carga depende de:• Los valores armónicos medidos.

• Los requisitos del usuario, definidos durante la configuración del sistema:

eliminación de los órdenes de armónicos y corrección del factor de potencia (sí o

no).

El transformador actual, combinado con un convertidor analógico/digital, determina

el espectro (fundamental y armónicos) de la corriente que alimenta la carga.

En función de estos valores y el programa de selección, un procesador prepara los

comandos para el inversor, para la ejecución de una fase tras las mediciones.

La corrección del factor de potencia se obtiene generando una corriente

fundamental +90° de la fase con la tensión.

Fig. 3.14. Funcionamiento de AccuSine.

OpcionesEn sistemas 3Ph o 3 ph+N, el usuario puede decidir si se acondicionarán:

• Todos o solo algunos armónicos hasta H25.

• El factor de potencia


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AccuSine siempre se suministra con potencia trifásica, pero puede acondicionarcargas monofásicas, es decir, armónicos de secuencia cero 3k.

Modos de instalación

Modo en paralelo Pueden conectarse hasta cuatro acondicionadores de armónicos activos AccuSine

en paralelo en el mismo punto de la instalación. Es el modo de aumentar la

capacidad de acondicionamiento de armónicos o la disponibilidad del sistema.

Para las instalaciones en paralelo, se necesita un único conjunto de sensores en el

circuito acondicionado y se utiliza una conexión por cable para enviar las mediciones

de la corriente de carga a los distintos acondicionadores. Si un acondicionador se

cierra, los acondicionadores restantes siguen acondicionando los armónicos, dentro

de los límites de su capacidad de acondicionamiento nominal.

Fig. 3.15. Funcionamiento en paralelo de tres acondicionadores de armónicos activos AccuSine.

Modo en cascada o en serieEs posible el funcionamiento en modo "cascada" o "en serie", pero requiere

determinados parámetros para evitar interacciones entre los diferentes

acondicionadores.

El acondicionador aguas abajo generalmente acondiciona una carga de alta

potencia. El dispositivo aguas arriba acondiciona los demás circuitos de salida de

baja potencia y, si es pertinente, los armónicos residuales que no se hayan

acondicionado con el primer acondicionador.

Fig. 3.16. Acondicionadores de armónicos activos AccuSine en modo en cascada.

Modo de varios circuitos En este modo, un solo acondicionador puede acondicionar hasta tres circuitos de

salida. Se necesita un conjunto de sensores para cada circuito acondicionado y

todos están conectados a AccuSine. Esta configuración resulta muy útil cuando los

armónicos están concentrados en un número reducido de circuitos.

Fig. 3.17. Un acondicionador activo AccuSine para varios circuitos.


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Posición en la instalaciónAcondicionamiento total (o centralizado) El acondicionador de armónicos activo se conecta solo aguas abajo de las fuentes,

generalmente en el nivel de cuadro de conexión de tensión baja principal.Acondicionamiento parcialEl acondicionador de armónicos activo se conecta en el nivel del cuadro de

conexión principal o secundario y acondiciona un conjunto de cargas.

Acondicionamiento localEl acondicionador de armónicos activo se conecta directamente a los terminales de

cada carga.

Fig. 3.18. Tres posibles puntos de instalación de AccuSine, en función de los requisitos delusuario.

Comparación de las posibilidades de instalación

Tipo deacondicionamiento

Ventajas Inconvenientes Aplicaciones

Total(nivel de cuadro deconexión de tensión bajaprincipal)

Económico.Libera los generadores(transformadores, generadores).

Los armónicos permanecen en laparte aguas abajo de lainstalación.Los cables debensobredimensionarse.

Cumplimiento con los requisitos dealimentación.Evita inyectar los armónicos aguas arribade la instalación.

Parcial(nivel de cuadro deconexión secundario)

Evita sobredimensionar los cablesentre los cuadros de conexiónprincipal y secundario.La recombinación de ciertosarmónicos podría reducir el valornominal del acondicionador.

Los armónicos permanecen entreel cuadro de conexión secundarioy la carga no lineal.El cable de salida a la carga debesobredimensionarse.

Edificios grandes. Acondicionamiento espaciadoregularmente en cada planta o conjuntode plantas.Varios circuitos que alimentan las cargasno lineales.

Local (nivel de carga)

Elimina los armónicos dondetienen lugar.Reduce las pérdidas en todos loscables, hasta la fuente.

Costoso cuando se requierenunos cuantos acondicionadores.

Para las instalaciones en que hay pocascargas no lineales y de alta potencia conrespecto a las demás cargas. Por ejemplo,grandes unidades de velocidad variable,SAI de alta potencia,compartimentos de servidor, iluminación,SAI de alta potencia o sistemas deiluminación fluorescentes.

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A efectos prácticos• El acondicionamiento total no plantea problemas de cálculo.

• El acondicionamiento parcial requiere una serie de precauciones.

• Para todas las cargas RCD no compensadas (unidades de velocidad variable de

alta potencia sin inductores para aplicaciones de par de apriete variable), el

acondicionamiento local solo puede garantizar un valor de THDU que no supere

ciertos límites para asegurar un funcionamiento correcto de la carga.

Posición de los transformadores de corriente aguas arribay aguas abajoEn la mayoría de los modos de instalación anteriores, pueden utilizarse con AccuSine dos tipos de instalación del transformador de corriente.

Transformador de corriente aguas arriba de la cargaEsta es la situación más común.

IF + IH

IF IH

non-linear

load

active harmonic

conditioner

CT to measure load

harmonics

Fig. 3.19. Instalación con un transformador de corriente aguas arriba de la carga.

Instalación de un transformador de corriente aguas arriba de AccuSiney un transformador de corriente en la entrada del cuadro de conexiónEsta configuración simplifica las cosas cuando resulta difícil instalar untransformador de corriente en la línea aguas arriba de la carga. Los dostransformadores de corriente tienen características compatibles y complementarias.La diferencia entre las corrientes medidas determina la corriente de compensaciónnecesaria.

IF + IH

IF IH

non-linear load

active harmonicconditioner

CT2 to measureconditioner current

information on current to bereinjected

(différence CT1 - CT2)

CT1 to measuresource current

Fig. 3.20. Instalación con dos transformadores de corriente, uno en la entrada del cuadro deconexión y el otro aguas arriba del acondicionador.


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Ventajas de AccuSine Eliminación de las corrientes armónicas acondicionadasPara los armónicos seleccionados, AccuSine

está diseñado para ofrecer una ruta

para las corrientes de armónicos prácticamente sin impedancia con respecto a la de

la fuente. Esto elimina su flujo aguas arriba hacia la fuente.La Figura 3.21 muestra AccuSine

entre las dos secciones de línea ZL1 y ZL2, que

proporciona una carga RCD estándar que puede ser monofásica o trifásica (fuente

de alimentación conmutada o unidad de velocidad variable).

Se eliminan las corrientes de armónicos IHn que anteriormente fluían a través de las

impedancias Zs y ZL1 aguas arriba del punto de instalación de AccuSine.

La fuente ahora alimenta exclusivamente la corriente fundamental If.

AccuSine alimenta las corrientes armónicas IHn en la carga, al medir continuamente

los armónicos que se obtienen de la carga.

Fig. 3.21. AccuSine modifica la corriente aguas arriba de este punto de instalación.

Reducción del valor de THDU en el punto de instalación Aguas arriba de AccuSine, se eliminan las corrientes armónicas IHn seleccionadas

(todas o solo algunos de los armónicos hasta el 25º).

La distorsión armónica total aguas arriba del punto de instalación se calcula como

(ver cap. 4, pág. 49):

1

2n

2n

UH

UH

100%THDU

∑∞

==

donde UHn es la caída de tensión correspondiente al valor IHn armónico.La eliminación de la corriente armónica de un orden específico elimina la tensiónarmónica del mismo orden (1).

El resultado es una importante reducción en el valor de THDU mediante la selecciónde los armónicos más significativos.Dado que por encima del orden 25

º los armónicos individuales son insignificantes, el

valor de THDU es prácticamente igual a cero y se elimina por completo la distorsiónsi condiciona a todos los armónicos hasta el 25

º.

(1) Por el hecho de que UHn e IHn son componentes sinusoidales a una frecuencia nf (donde fes la frecuencia del fundamental), están relacionados por la ley de Ohm, y tienen en cuenta el

valor de las impedancias afectadas (Zs y ZL1) con una frecuencia angular n ω.Por tanto:

UHn = (Zs(nω) + ZL1(nω)) IHn.Para todos los armónicos acondicionados, IHn = 0 y en consecuencia UHn = 0.

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Conclusión sobre el acondicionamiento activoProcedimiento paraimplementar elacondicionamiento activo

Los cálculos de acondicionamiento precisos requieren:• Un conocimiento preciso y exhaustivo de la instalación (fuentes, líneas y método

de instalación).

• Un conocimiento preciso de las cargas (curvas de armónicos y de desplazamiento

en función de la impedancia de la fuente).

• Herramientas de cálculo especiales.

• Análisis y simulación.

Nuevas instalaciones Las normas estándar que rigen las instalaciones eléctricas siguen aplicándose, pero

se requiere una evaluación de la distorsión de la tensión (THDU) donde fluyen las

corrientes de armónicos.

Esta evaluación es muy compleja y requiere un software de cálculo especial, así

como un gran conocimiento de las cargas no lineales, en especial la distribución

armónica en función de la impedancia aguas arriba.

Schneider Electric cuenta con las herramientas de simulación necesarias para estos

cálculos.

Instalaciones existentesPara las instalaciones existentes, para cualquier acción correctiva es imprescindible

una evaluación precisa del sitio. La relación matemática entre la distorsión de la

corriente y la tensión es compleja y depende de varios componentes de la

instalación.

El control del fenómeno de los armónicos requiere conocimientos y experiencia, así

como software y herramientas especializados (analizador de espectro, software de

cálculo para la distorsión en los cables, software de simulación, etc.).

Sin embargo, aunque cada solución sea específica de un sitio específico, unos

métodos rigurosos y unas técnicas profesionales adecuadas garantizan con toda

probabilidad el funcionamiento correcto de la instalación.

Metodología Schneider Electric ha dominado todo el proceso de eliminación de los armónicos y

propone un enfoque de tres pasos:

1. Auditoría del sitio2. Determinación de la solución más adecuada3. Instalación del sistema y comprobaciones

1. Auditoría del sitioDiagrama de instalación Antes de iniciar una serie de mediciones, le sugerimos que dibuje un diagrama

simplificado de la instalación, que incluya lo siguiente:

• Tipos de equipos- Generadores: tipo, potencia nominal, tensión, Usc, X"d (grupo electrógeno de

motor).

- Transformadores de aislamiento: tensión, potencia nominal, tipo, Usc,

acoplamiento.

- Distribución: tipo de cables, longitud, sección transversal, método de instalación.

- Cargas: potencia nominal, tipo.

- Distribuciones de conexión a tierra del sistema en diferentes puntos de la

instalación.

• Modos de funcionamiento- Con alimentación de la red eléctrica.

- Con grupos electrógenos de motor (alimentación de reserva o cogeneración).

- Con SAI.

• Modos de funcionamiento degradados

- Sin redundancia.- Con alimentación de grupos electrógenos de motor.

Este diagrama le permitirá localizar los diferentes puntos de medición e identificar

las fases operativas críticas (para evaluación mediante simulación o cálculo).


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MedidasTras el paso anterior indispensable, puede comenzar la fase de medición,

preferiblemente en la fuente y aguas abajo hacia las cargas con los armónicos, para

limitar el número de mediciones.

La calidad de las mediciones es más importante que la cantidad, y hace que el paso

siguiente resulte más sencillo.

Estudio de instalación preliminarEl primer paso finaliza con un estudio preliminar de la instalación:

• Punto(s) de instalación de los acondicionadores

• Condiciones de instalación para los disyuntores de protección

• Instalación de sensores (con o sin alimentación)

• Posibilidad de cerrar la carga

• Espacio disponible

• Evacuación de pérdidas (ventilación, aire acondicionado, etc.)

• Restricciones ambientales (ruido, EMC, etc.)

2. Determinación de la solución más adecuadaLos elementos anteriores se utilizan para determinar la solución óptima mediante:

• Análisis de los resultados de mediciones

• Simulación de las diferentes soluciones para el problema detectado

• Determinación de la solución más adecuada

• Creación de un informe de resumen de las soluciones propuestas

3. Instalación del sistema y comprobacionesEste último paso incluye:

• Implementación de las soluciones seleccionadas

• Comprobación de los niveles de rendimiento con respecto a los resultados

garantizados

• Creación de un informe de inicio del sistema

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