SOLUCIÓN BAJAS EN ARMÓNICOS SERIE FREEMAQ

Febrero 2014

1 Causas de los armónicos

2 Efectos de los armónicos

3 Fórmulas Útiles

4 Estándares EMC – THD

5 Tec. Bajas en Armónicos

6 SD700FA AHF

Cargas Trifásicas: n = (k·6± 1): 5, 7, 11, 13, 21, ….

• Variador de frecuencia, rectificadores, Hornos de arco eléctrico, …

• No generan armónicos tripleN. • Los Filtros Activos de 3 hilos cancelan la

distorsión.

Causa de los armónicos

Cargas Monofásicas: TripleN & n = (k·6 ± 1): 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 …

• PC’s, faxes, dimmers, LED’s, cargas de móviles , Máquinas de soldadura , etc…

• Provoca altas corrientes por el neutro • Los armónicos tripleN se anulan con FA de 4

hilos

Donde: k = 1, 2, 3, 4, 5...

Redución del factor de Potencia. Pérdida e ineficiencia del

sistema eléctrico

Pérdidas del conductor y calentamiento del transformador

(efecto piel - skin effect)

Daños en los condensadores y resonancia. (corriente de alta

frecuencia circula a través de caminos de baja impedancia

sobrecargando los condensadores)

Sobrecarga del conductor de neutro y transformador debido al

exceso de corriente de secuencia zero (tripleN)

Sobrecalentamiento del motor. Secuencias de rotación

negativa en motores

Disparos de las protecciones inesperadas (fusibles,

interruptores, relés , etc..)

Fallo de generadores diesel en stand-by

EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS

Voltaje Corriente RMS Potencia Aparente S= V ·I

FÓRMULAS ÚTILES

𝑃𝑃𝑃𝑃 = 1

√1 + 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇2· 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜑𝜑 =

𝑇𝑇50𝑇𝑇𝐻𝐻

𝑇𝑇𝑟𝑟𝑟𝑟𝑐𝑐· 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜑𝜑

Factor de desplazamiento (cos ϕ)

Distorsión Armónica Total de la corriente THDi (%)

Factor de Potencia (PF)

𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 = �∑ 𝑇𝑇𝑛𝑛2𝑛𝑛=∞𝑛𝑛=2𝑇𝑇1

𝑆𝑆𝑇𝑇 = �𝑃𝑃2 + 𝑄𝑄2 + 𝑇𝑇2

Potencia Aparente

𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜑𝜑 = 𝑃𝑃 (𝑘𝑘𝑘𝑘)𝑆𝑆 (𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘)

FÓRMULAS ÚTILES Centros de transformación S (kVA), Zout (%), Vout (V)

Cargas Lineales P (kW), Cos φ

Línea Principal L (m), Sección Cable(mm2), Material (Cu or Al), Conductores (#)

Cargas no lineales P (kW), H (%), cos φ

Transformador usuario S (kVA), Zout (%), Vout (V)

Sistemas de Distribución L (m), Sección Cable (mm2), Material (Cu o Al), Conductores(#)

PCC

IPC1

IPC2

IPC3

PCC

IPC1

IPC2

IPC3

Zsc

Zt

Zf’

Zf2’ Zf2’’ Zf2’’’

Zf3’

Zf4’’ Zf4’ Zf4’’’

Evo

luci

ón d

el n

ivel

de

THD

i

Evo

uluc

ión

del n

ivel

TH

Du

Red Privada

Red Pública

PCC: Punto acoplamiento común IPC Punto de acoplamiento interno

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM) | INTRODUCCIÓN

CEM Compatibilidad Electromagnética

EMI Interferencia Electromagnética

EMS Susceptibilidad Electromagnética

Nivel de Emisión Máxima

Nivel de Inmunidad Mínimo

Nivel de Inmunidad del Dispositivo

Nivel de Emisión del dispositivo

MARGEN DE COMPATIBILIDAD

CLA

SE A

MB

IEN

TAL

Espectro frecuencia

Am

plitu

d

CEM Compatibilidad Electromagnética

Baja Frecuencia

F <150 kHz

THD Flicker

EMI Interferencia Electromagnética

EMS Susceptibilidad Electromagnética

Fracuencia Media

150 kHz< f < 30MHz

Conducido

Alta Frecuencia

f > 30MHz

Radiado

Radio Frecuencia Conducida Radiada

Sobretensión Transitorios Eléctricos

rápidos Descargas electrostáticas THD Caidas de tensión,

interrupciones

IEC61800-3

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA | INTRODUCCCIÓN

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM) | NORMATIVA

Marcado CE variador de velocidad requiere el cumplimiento de la norma EMC 2004/108/CE

EMC 2004/108/CE EMC 2004/108/CE requiere el cumplimiento de la norma IEC61800-3

IEC61800-3 IEC61800-3 establece que el fabricante deberá proporcionar el nivel de armónicos de

corriente en ciertas condiciones.

IEC61000-2-2 IEC61000-2-4

IEC61000-3-4 IEC61000-3-12

IEEE519 - 1992

¿Niveles decompatibilidad?

IEC61000-2-2: Redes públicas de baja tensión

IEC61000-2-4: Instalaciones Industriales y redes no públicas.

VHD y THDv (%)individual en función de la clase ambiental definida.

Redes públicas hasta 600V THD y PWHD hasta:

IEC61000-3-4 <16A IEC61000-3-12 < 75A

THDv

THDi

Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de los armónicos en Sistemas eléctricos

VHD y THDv (%) individual dependen de Isc/IL

CHD y THDI (%) individal dependen de Isc/IL

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM)| IEC61800-2-4

CLASE DESCRIPCIÓN THDv (%) CLASE 1 Ubicación donde el equipamiento es muy sensibles a las perturbaciones. Esta clase

corresponde a las redes protegidas y tiene niveles de compatibilidad que son más bajos que el nivel del sistema de suministro público 5%

CLASE 2 Esta clase se aplica generalmente a los PAC (Puntos de acoplamiento común) con el sistema de suministro público y para IPC (Puntos Internos de acoplamiento) con los sistemas de suministro industriales o de otro tipo de suministros privados. 8%

CLASE 3 Esta clase sólo se aplica a los IPC (Puntos Internos de acoplamiento) en entornos industriales. Cuenta con niveles de compatibilidad más altos para algunas variables de perturbación que la Clase 2. Por ejemplo, esta clase debe ser considerado cuando se aplica una de las siguientes condiciones: • La parte principal de la carga se suministra a través de convertidores; • Uso máquinas de soldadura; • Motores de gran tamaño se ponen en marcha frecuentemente; • Las cargas varían rápidamente

10%

Nota: IEC61800-2-4 establece la distorsión armónica individual en tensión

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM)| IEC61800-3-12

Corrientes armónicas individuales admisibles In/I1 (%) Factores de distorsión de

corriente armónica admisibles%

Rsce Mínimo I5 I7 I11 I13 THD PWHD

33 10.7 7.2 3.1 2 13 22

66 14 9 5 3 16 25

120 19 12 7 4 22 28

250 31 20 12 7 37 38

≥350 40 25 15 10 48 46

Límites actuales de las emisiones para el equipo trifásico equilibrado < 76A

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM)| IEE519 - 1992

Orden Armónico

Isc/IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THDi

<20* 4.0 2.0 1.0 0.6 0.3 5.0

20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0

50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0

100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0

>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

Isc: Corriente máxima de cortocircuito @ PCC IL : máximo consumo de corriente por la carga @ PCC

Límite de distorsión de corriente individual y total en el PCC(THDi):

Isc/IL Valores permitidos para cada tensión armónica individual

Usos Típicos

10 2.5 – 3 % Clientes especiales con acuerdos especiales

20 2.0 – 2.5 % 1 – 2 grandes cargas

50 1.0 – 1.5 % Cargas de alto rendimiento

100 0.5 – 1 % 5 – 20 cargas medias de salida

1000 0.05 – 0.1 % Un gran número de cargas de bajo rendimiento

Límite de distorsión de voltaje individual y total en el PCC (THDv)

Aplicaciones Especiales Sistema General Sistemas

dedicados

THD (voltaje) 3% 5% 10%

SD700 FREEMAQ FR SD700 FREEMAQ FL

SD700 KOMPAKT

SD700

SD700 FREEMAQ FA

¿QUÉ DEBO HACER?

La selección apropiada de la tecnología se basará en los siguientes conceptos: Es nuevo el proyecto o no? Qué cantidad y cuál es la potencia individual de las fuentes de armónicos? Cuáles son los requisitos para la compensación de energía reactiva(cos ϕ)? Hay presencia de armónicos TripleN(3, 9, 15,…)?

INDUCT. CC SD500, SD700F1&2

THDi ≈ 40%

INDUCT. 3% SD700 series

THDi <35%

L1 L2 L3 L1

L2

TECNOLOGÍA MITIGACIÓN ARMÓNICOS

MULTIPULSO SD700 series 12,18,24p

THDi <15%

FILTRO NOTCH SD700 FREEMAQ FL

THDi <5%

AFE SD700 FREEMAQ FR THDi <4%

TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS| SD700 VARIADORES MULTIPULSO

n = kp ± 1, Dónde: k = 1, 2, 3, 4, 5... p = número de pulsos

PE ofrece variadores de 12, 18, 24 pulsos Los rectificadores se desplazan 30º / 15º / 7,5º La armónicos de corriente generados son:

6p THDi ≈ 35%

12p THDi ≈ 15%

18p THDi ≈ 9%

24p THDi ≈ 5%

12 pulsos; 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49, … 18 pulsos; 17, 19, 35, 37, 53, 55, ….

24 pulsos; 23, 25, 47, 49,…

Considere que... El THDi en el lado de baja tensión del transformador seguirá siendo 35%(igual que en el variador de 6 pulsos)

TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS | PASSIVE TUNNED FILTERING

Zg

L1

C1

Filtros Sintonizados diseñados para eliminar 5ºor 7º armónico con una determinada impedancia de red fija (Zg)

Variación en Zg → Aumento THDi

Variación en Zg → Puede causar Resonancia

Valido para instalaciones originales, las ampliación modifican las condiciones de diseño del filtro

f5th f7th

1st 5th 7th

1st 5th 7th

Variación Impedancia de red (Zg)

L2

C2

TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS | SD700FL FILTRO NOTCH

Zg

L1

C1

L2

L3

THDi < 5%, por debajo de los límites establecidos en IEEE519 para todos ISC / IL.

Filtros Notch LCL diseñado para atenuación de armónicos general e independiente de la impedancia de red (Zg)

Variación en Zg → No afecta a THDi . ZL1>> Zg

Construido con componentes eléctricos robustos

Nunca causa resonancia

1st 5th 7th SD700FL

TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS| SD700FR VARIADOR REGENERATIVO

Zg

L1

C1

L2

THDi < 5%, por debajo de los límites definidos en IEEE519 para todos ISC / IL.

Cos Φ = 1.0 ajustable a cualquier condición de carga

Regeneración de Energía para ahorrar y crear registros de Energía

Tensión de motor constante frente a caidas de tensión de entrada gracias al control de tensión de bus CC.

Menor cableado y ahorro considerable de espacio

Sin coste de instalación adicional

SD700FR

TECNOLOGÍA BAJA EN ARMÓNICOS| SD700FA FILTRO ARMÓNICO ACTIVO

Variadores de 6 pulsos y otras fuentes de distorsión

Funciona como una fuente de corriente monitorizando la corriente de carga o la corriente de línea en el punto de interconexión, e inyecta la onda de corriente inversa que cancela la distorsión armónica

THDi control de todas las cargas: Cancelación armónica selectiva o cancelación total del espectro de armónicos a cualquier condición de carga

Cos Φ = 1.0: Permite el control dinámico del factor de desplazamiento.

Solución competitiva y compacta para instalaciones existentes.

La centralizacion de la cancelación de corrientes armónicas permite soluciones más competitivas.

SD700FA

SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS| CONEXIÓN

Una configuración en lazo abierto mide la corriente de la carga e inyecta corriente armónica inversa que cancela la distorsión armónica

Una configuración en lazo cerrado mide la corriente de línea en el punto de interconexión e inyecta armónicos de corriente opuestos hasta alcanzar el valor deseado por el usuario.

SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | ALGORITMO SELECTIVO

Estableciendo la cancelación selectiva de armónicos usted será capaz de compensar en perfecta oposición de fase hasta 6 armónicos individuales simultáneamente hasta el orden 25º armónico (Dependiendo de la frecuencia de conmutación).

H5 H7 H11 H13 H17 … 10% 10% 4.5% 4.5% 4% …

El usuario puede configurar el contenido final de cada armónico en %.

+ =

Estableciendo el algoritmo de cancelación total del espectro de armónicos, la unidad no se centrará en un orden de armónico específico. Cualquier armónico se cancelará mediante la inyección de una onda en oposición de fase que resulta de restar la onda fundamental de (50Hz).

+ =

SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | CANCELACIÓN TOTAL

SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | ARMONICOS DE SECUENCIA CERO

Los armónicos de secuencia cero o tripleN son los armónicos impares múltiplos de 3 (3,9,15,…) causados por las cargas monofásica (soldadores monofásicas, iluminación de bajo consumo, ordenadores, etc..)

SD700FA no tiene conexión de neutro y no filtra los armónicos de secuencia cero. Por lo tanto, se deben utilizar otras técnicas de filtrado como: transformador estrella-triángulo, Inductancia Zig-Zag, filtros 4 hilos.

Los armónicos TripleN circulan en fase por las tres lineas. Puesto que la corriente en el neutro es igual a la suma de las corrientes en las lineas, la corriente de neutro es In = 3 · I3

SD700FA es un Filtro Activo de Armónicos de 3 hilos (FAA) con un rango desde 100A a 630A. La capacidad del equipo se expresa en corriente RMS.

El valor de corriente RMS de un determinado espectro de armónicos se calcula con la siguiente fórmula:

𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 = �𝑇𝑇52 + 𝑇𝑇7

2 + 𝑇𝑇112 + 𝑇𝑇13

2 + ⋯+ 𝑇𝑇492

Por ejemplo: H1 = 300Arms H5 = 60% =180Arms H7 =43% =129Arms

H11 =25% =75Arms H13 =17% =51Arms

𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 = �1802 + 1292 + 752 + 512 = 239𝑘𝑘𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆

SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | SELECCIÓN

SD700FA puede realizar al mismo tiempo, la compensación de energía reactiva mediante la inyección de corriente reactiva o inductiva En comparación con los bancos de condensadores tradicionales, la

compensación de reactiva del filtro SD700FA es continua, rápida y suave (no hay transitorios de conmutación). La capacidad en corriente reactiva del filtro se añade a la capacidad

requerida en armónicos. El nuevo rango de corriente reactiva se calcula de la siguiente manera.

Por ejemplo: P = 800kW Ul = 400V DPF = cos φ = 0.90 DPF’ = cos φ’ = 0.95 IARMS_ARM=239A rms

𝑇𝑇𝑇𝑇𝑘𝑘𝑅𝑅𝑅𝑅+𝑅𝑅𝑅𝑅𝑘𝑘𝑅𝑅𝑇𝑇 = �𝑇𝑇𝑇𝑇𝑘𝑘𝑅𝑅𝑅𝑅𝐻𝐻𝐻𝐻𝑇𝑇𝑅𝑅𝑆𝑆 2 + 𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑘𝑘𝑅𝑅𝑇𝑇𝑇𝑇𝑘𝑘𝑘𝑘 2

𝑄𝑄𝑃𝑃 = 𝑃𝑃 · (tan𝜑𝜑 − tan𝜑𝜑′) = 124𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑟𝑟

𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑘𝑘𝑅𝑅𝑇𝑇 =𝑄𝑄

√3 · 𝑈𝑈=

124𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑟𝑟√3 · 400

= 179 𝑘𝑘𝑟𝑟𝑟𝑟𝑐𝑐

𝑇𝑇𝑇𝑇𝑘𝑘𝑅𝑅𝑅𝑅+𝑅𝑅𝑅𝑅𝑘𝑘𝑅𝑅𝑇𝑇 = �1792 + 2392 = 298 𝑘𝑘𝑟𝑟𝑟𝑟𝑐𝑐

SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | SELECCIÓN

SD700FA FILTRO ACTIVO DE ARMÓNICOS | MODO DE OPERACIÓN

PRIORIDAD HRH HHR HR

1st Armónicos Armónicos Armónicos

2nd Reactiva Máx. Armónicos Reactiva

3rd Máx. Armónicos Reactiva

La prioridad determina la distribución de corriente del filtro SD700FA dentro de las funciones disponibles

Nivel pre-establecido

ARMONICOS: El SD700FA inyecta corriente armónica hasta los valores prefijados (% Hi o% Iarms). Una vez que se alcance, la capacidad restante se puede utilizar por la siguiente prioridad.

REACTIVA: El SD700FA inyecta corriente reactiva que intentando alcanzar el cos φ preestablecido. Como anteriormente, la capacidad restante se puede utilizar para la siguiente prioridad.

MAX. ARMONICOS: Si se cumplen los niveles de armónicos establecidos, y hay capacidad de corriente restante. El SD700FA puede seguir inyectando corriente armónica con el fin de cancelar completamente los armónicos

POWER ELECTRONICS Gracias por su atención

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