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Soluciones para la atenuación de armónicos
Soluciones para la atenuación de armónicos
posicionar las cargas perturbadoras aguas arriba del sistema
agrupar las cargas perturbadoras• alimentación con embarrados distintos,
y los equipos sensibles lo más cerca de su alimentación
• Se evitan corrientes armónicas circulando por los cables (evitar calentamientos)
separación de las fuentes• Transformadores dedicados
Cargasperturbadoras
Z1
Z2 Cargassensibles
DondeZ1 < Z2
Impedancia de líneaCargassensibles
Carga perturb. 1
no
Carga perturb. 2
si
Cargasno lineales
Cargas lineales
Sistemade distribución de MT
Modificando la instalación para atenuar los armónicos
usando transformadores con conexiones especiales• una conexión triángulo-estrella/triángulo elimina los armónicos de orden 5 y 7
• una conexión triángulo-estrella elimina los armónicos de orden 3 : los armónicos circulan por cada una de las fases y retornan por el neutro del transformador
instalando inductancias• incrementando la impedancia del circuito de suministro se limita la corriente
armónica (en particular las de rango elevado)– variadores de velocidad: se alisa la corriente
Modificando la instalación para atenuar los armónicos (otras soluciones)
La inductancia antiarmónica – filtros desintonizados
Permite proteger una batería de condensadores contra las sobrecargas armónicas
La elección : rama L-C carácter inductivo en la gama de frecuencias armónicasPor principio la frecuencia de resonancia fr, se sitúa por debajo de la gama de frecuencias del espectro de la fuente perturbadoraLa rama L-C y la red Lcc, son ambas inductivas en la gama de frecuencias del espectro, y las corrientes armónicas inyectadas se reparten en proporción inversa a las impedancias:
• Pocas corrientes armónicas circulando por la rama L-C• Mayor parte circula por el resto de la red, a través de la Zcc
0
0,05
0,1
0,15
0,2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
rango
impe
danc
ia
0,25
0,3
0,35Z
xl
L+R//
R ChI L
//Z//
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
0,35
Ventajas:• Suprime el riesgo de fuertes corrientes armónicas en los condensadores• Suprime correlativamente las fuertes distorsiones de tensión en la red, sin
llevar, de todas maneras, los niveles a un valor bajo especificado
Utilización:• En redes polucionadas.• Posibles criterios:
– THD(U) entre el 2% - 5 %– Potencia de los equipos generadores de armónicos entre el 20% y el
60% de la potencia total instalada
Los filtros
Limitación de las tensiones armónicas de la red a valores bajos especificadosExisten varias clases de filtros:
• Filtros pasivos:– Shunt resonante : filtros sintonizados– Filtros amortiguadores
• Filtros activos o compensadores activos• Filtros híbridos
Filtros sintonizados: el shunt resonante (1/6)
Rama r-L-C, con frecuencia de sintonización
fr debe de estar situada a la frecuencia de la tensión armónica que se desee eliminarEl shunt resonante presenta a la fr una impedancia mínima (reducida a la r de la inductancia)
• Deriva hacia él casi la totalidad de las corrientes armónicas de la frecuencia fr inyectadas, con un nivel de tensión armónica de frecuencia fr débil y proporcional al producto de la resistencia r por la corriente que circula por el shunt
En principio hay tantos shunts resonantes como armónicos a tratar, conectados en el juego de barras. El conjunto constituye una batería
r
L
C
LCπ21fr =
El shunt resonante (2/6)
La siguiente figura representa la impedancia armónica de una red equipada con una batería de 3 filtros de orden 5,7,11.
Hay tantas antiresonancias como filtros: situadas en el espectro, lo que obliga a realizar una cuidadoso estudio
//Z//
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
11,
62,
22,
83,
4 4
4,6
5,2
5,8
6,4 7
7,6
8,2
8,8
9,4 10
10,6
11,2
11,8
12,4 13
13,6
14,2
14,8
15,4
El shunt resonante (3/6)
Principales características:• La potencia reactiva de compensación: QVAr
– El shunt resonante realiza la compensación de energía reactiva a la frecuencia industrial
– La potencia reactiva de compensación del shunt resonante a la tensión de servicio U1 aplicada en el juego de barras:
– Siendo C la capacidad F-N de una de las tres ramas de la batería vista en estrella y h el rango de la frecuencia de sintonía
• La impedancia característica
2
2
2
112
12
−
×××==hhUCfwCUQ cVAr π
CLX =0
El shunt resonante (4/6)
Principales características:• El factor de calidad q = Xo/r:
– Un filtro eficaz debe tener una inductancia que posea un factor q elevado, por tanto r<<Xo a la frecuencia fr
– Orden de magnitud de q– 75 para inductancias al aire– superior a 75 para las inductancias con núcleo
• La banda pasante: en valor relativo
• La resistencia de la inductancia:– Definida a la frecuencia fr y es función del efecto corona– Es la impedancia a la frecuencia de sintonización
qfffBPr
r 12 =−
=
El shunt resonante (5/6)
En la práctica:• Las características del shunt resonante se ven limitadas por el desacuerdo
de sintonía del filtro y se pueden prever soluciones específicas:– Poner en la inductancia varias tomas de ajuste– La sensibilidad a la no sintonía, provocad por variaciones de f1 y de fr
(provocadas por las variaciones de la C(T)) puede reducirse por un compromiso entre los valores del factor q y las características del filtrado
Dimensionamiento:• Dimensionarse para la corriente máxima de cada armónico a filtrar
potencia del transformador (Sn)tensión de cortocircuito del transformador (Ucc)• Impedancia armónica de la red y del transformador
tensiones del primario y secundario.potencia de cortocircuito máxima y mínima de la red. medidas de armónicos en el secundario del transformador. (instalación sin condensadores)tipo y potencia de generadores de armónicos y su espectro.necesidades de compensación y descripción de baterías instaladas.esquema unifilartasa de distorsión deseada.presencia de generadores.
El shunt resonante (6/6)
Filtros amortiguadores (1/4)
En un horno de arco, el shunt resonante debe ser amortiguador
La banda continúa del espectro producido por el horno de arco crea una probabilidad de inyección de una corriente de frecuencia igual a la de antirresonancia
Filtros amortiguadores (2/4)
En un horno de arco, el shunt resonante debe ser amortiguadorNo tenemos que reducir solo las tensiones armónicas de rango característico,
sino también amortiguar las antirresonantesSolución:filtro de amplio espectro• Amortiguar las antirresonancias• Reducir las tensiones armónicas de frecuencias iguales o superiores a la de
sintonía• Amortiguar rápidamente el régimen transitorio debido a la conexión del filtro
Filtro amortiguador de 2º orden• Presenta una reactancia nula a la frecuencia fr, mayor que la frecuencia f, con:
( )LCQqQqf
LCf
r12
121
2 −
+=
=
π
π
Filtros amortiguadores (3/4)
Donde Q: factor de calidad del filtro amortiguador q: factor de calidad de la inductancia
Se estudia el filtro para que fr coincida con la primera banda característica del espectro a filtrar (generalmente la más importante)Cuando Q (o R) tiende a valores altos, fr tiende a f
Funcionamiento• Por debajo de fr :la resistencia de amortiguación contribuye a la reducción de
la impedancia de la red reducción de las tensiones armónicas que eventualmente pueden producirse
• Al valor fr: filtraje, pero presenta una impedancia mayor que la r de la inductancia característica de filtrado inferior a la del shunt resonante
• Por encima de fr : el filtro presenta una reactancia inductiva ( de la misma naturaleza que la de la red) : permite cierta absorción de las bandas del espectro superiores a fr, y si está presente, un espectro continuo
Filtros amortiguadores (4/4)
Ejemplo : analogía con lacompensación de la energía reactiva Q.
*La fuente suministra la potencia p' necesaria para compensar laspérdidas r. de la capacidad C.*C suministra Q' (a 50 Hz), energíade compensación de Q.
fuente
r C
P+p' P+Q
p'
cargalineal
Q'
-100-80-60-40-20
020406080
100
+
--
++
+
- -
+ - + -
u Ireactiva
= 0
P (kW) u
S (kVA)
Q (kVAR) Q'
Q' = - Q
p'
Compensador activo: inyección de corrientes armónicas invertidas
fuenteP+p'+Q
P+Q+D
p'
cargano
lineal
D'
CompensadorActivo
El compensador Activo :suministra la energía de"deformación" D'.
* La fuente no suministra mas que la p' necesaria para compensar las pérdidas del compensador.* C.A. suministra D' (potencia Hn)
P (kW) u
S (kVA) Q (kVAR)
DD' = - D
p'
-150
-100
-50
0
50
100
150
0 0,005 0,015 0,02 0,0250,01+
+
+
+
- --
-
+
-
-
+
S
D = 0
D'
I h2u
% de I fundamental
Compensador activo: inyección de corrientes armónicas invertidas
Filtros híbridos
combinar los puntos fuertes de los filtros activos y pasivos• Filtraje de un gran rango de frecuencias• Compensación energía reactiva• Gran capacidad de filtraje en corriente
CargaNo-linear
Activefilter
I har
I act
Carga linearFiltro Híbrido
Ejemplo
Una Batería de condensadores de 1000 kVAr
Antirresonacia en la proximidad del rango 7 : V(7)=11% THD(U5,5kV) = 12,8% inadmisibleIcondensador = 1,34 Inominal
Filtro desintonizado de 1000 kVAr
Ajuste dispositivo rango 4,8Curva impedancia armónica red:• Antirresonancia: rango 4,25• Baja impedancia rango 5 favorece el filtrado
de magnitudes armónicas de este rango
Deformación de tensiones• THD(U) = 2,65% aceptable
Icondensadores: 1,06 Inominal
Filtro shunt resonante rango5 y filtro amortiguado en rango7
Impedancia armónica• Rango 5: impedancia se reduce a la
resistencia de la inductancia• Rango 7: la baja impedancia puramente
resistiva del filtro amortiguado, reduce la tensión armónica de este rango
• Para rangos superiores la curva de impedancia del filtro amortiguado favorece la reducción de las tensiones armónicas correspondientes
Deformación de las tensiones• THD(U)=1,96%