1. Educación

Case story
¿Cómo filtrar armónicas y elevar
el factor de potencia?
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¿Cómo filtrar armónicas y elevar el factor de potencia?
En mi experiencia, los equipos en baja
tensión que mas armónicas generan y bajan
drásticamente el Factor de Potencia son los
Drives de DC.
Una empresa en Baja California, se dedican a
producir rollos de plástico de tirajes muy
largos; el torque de las maquinas debe ser
muy fino y a muy baja velocidad, de lo contrario el plástico se rompe. Sus máquinas contienen tableros llenos de VFD de corriente
directa, los cuales estaban generando una
distorsión en corriente muy alta, distorsionando la forma de onda de voltaje y bajando
el FP a 0.4i. El cliente durante años se dedicó a
instalar capacitores fijos sin reactor, los cuales
entraban en resonancia franca y se quemaban en menos de un mes.
Se les hizo un estudio con
equipos Dranetz para conocer el
perfil de cada tablero principal.
A continuación se muestran los resultados, los cuales fueron utilizados
para diseñar los filtros.
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Se ve claramente como la
forma de onda después de
instalar el filtro sintonizado es
mas senoidal.
Gráfica 1.1 Forma de Onda de Voltaje antes y después filtro sintonizado 200 kVAr
La forma de onda de corriente
sin filtro pierde totalmente la
forma de onda senoidal; es
una forma de onda típica de
un Drive de 6 pulsos. La forma
de onda de corriente con el
filtro trabajando es mas senoidal.
Gráfica 1.2 Forma de Onda de Corriente Irms antes y después filtro 200 kVAr
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Gracias a la aportación de reactivos del filtro, la corriente Irms ttse
disminuye aproximadamente 150
Amperes, liberando carga en el
transformadort.
Gráfica 1.3 Corriente Irms antes y después filtro 200 kVAr
La potencia máxima en
kVA´s antes del filtro
superaba los 250
kVA´s. Gracias a la
disminución de reactivos, la potencia
entregada por el transformador es de 125
kVAs en promedio.
Gráfica 1.4 Potencia kVA antes y después filtro 200 kVAr
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Los Drives de DC debido a que operan en
ocasiones a muy baja velocidad, hacen que el factor
de potencia se caiga bastante. Este cliente tenía un
factor de potencia de 0.4i cuando la maquina esta a
su máxima capacidad, demandando un alto contenido de reactivos.
En la siguiente gráfica se ve el perfil de demanda de
reactivos la cual es muy variante. En estas situaciones la solución tendrá que ser automática.
Se ve claramente la aportación
de reactivos del filtro de 200
kVAr, demandando en ciertos
momentos una cantidad mínima
de kVAr ante CFE.
Gráfica 1.5 Potencia kVAr antes y después filtro 200 kVAr
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En las siguientes gráficas se muestra el antes y el después de la distorsión armónica total en
corriente %THDi. Este valor en ocasiones puede ser confuso ya que con el filtro operando la corriente
es mucho menor, manteniendo el %THDi casi igual que sin el filtro. Aquí lo importante es compararlo
con el %THDv y la corriente en amperes de la armónica a la cual esta sintonizado el filtro.
Gráfica 1.6 Grafica de %THDi antes y después filtro 200 kVAr
El THDi se puede observar que se mantuvo casi idéntico sin el filtro. Esto es debido que la corriente
Irms se vio disminuida 150 Amperes menos que sin el filtro operando.
En seguida analizaremos cómo se comporta en amperaje de la armónica predominante.
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En la siguiente gráfica 1.7, podemos observar que antes de conectar el filtro el Drive de
DC generaba 90 Amperes como máximo de A5h (300 hz). Con el filtro se ve que la corriente es
desviada un 50% quedando un remanente de 40 Amperes en promedio.
Gráfica 1.7 Amperaje de Ah5 (300 hz )antes y después filtro 200 kVAr
En la siguiente gráfica
también se ve la disminución
de la 7ma armónica en cierto
porcentaje debido a la sintonía
del filtro de 4.7.
Gráfica 1.8 Amperaje de Ah7 antes y después filtro 200 kVAr
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En el segundo tablero se cuenta con un Drive de 150 hp de DC el cual estaba generando algo de
corriente de Ah3 (180 hz). Para que el filtro de 4.7 no elevara esta corriente, se opto por instalar un reactor de rechazo de 3% de impedancia directamente al Drive y un filtro de sintonía de 2.7 en paralelo al
tablero para compensar reactivos y evitar una frecuencia de resonancia o incremento de la corriente de
de 180 hz.
Gráfica 1.9 Amperaje de Ah3 antes y después filtro 200 kVAr
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Como podemos observar en la gráfica anterior, la corriente armónica Ah3 se ve disminuida y
no entra en resonancia con el filtro de 200 kVAr.
En la siguiente gráfica se muestra el espectro armónico en corriente. Esta grafica al igual que las anteriores cambia cada segundo; es importante mostrarla cuando se presenta la corriente armónica mas
critica.
Podemos ver que disminuye un poco el THD de 300 hz pero no en la magnitud deseada ya que la
corriente Irms disminuye bastante.
Gráfica 1.5 Espectro Normalizado en corriente antes y
después del filtro de 200 kVAr.
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Una de las gráficas más importantes es la distorsión en Voltaje %THDv. Antes del filtro
esta distorsión estaba fuera del estándar IEEE-519-1992. Con el filtro operando la distorsión bajo
de 6.5% a 2.25% como máximo.
Gráfica 1.6 Distorsión en Voltaje THDv%
Adicional a los filtros de armónicas y reactor de línea, se instalo un supresor de picos
para eliminar los transitorios o picos de voltaje que presentaba la forma de onda de voltaje.
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Una de las gráficas más importantes es la
distorsión en Voltaje %THDv. Antes del filtro esta
distorsión estaba fuera del estándar IEEE-5191992. Con el filtro operando la distorsión bajo de
6.5% a 2.25% como máximo.
Gráfica 1.6 Distorsión en Voltaje THDv%
Adicional a los filtros de armónicas y reactor de línea, se
instalo un supresor de picos para eliminar los transitorios o
picos de voltaje que presentaba la forma de onda de voltaje.
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Gráfica 1.6 Transitorios eléctricos de voltaje
Transitorios
Eléctricos de
voltaje.
Transitorios eléctricos
eliminados.
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De acuerdo a las gráficas anteriores podemos concluir que un filtro sintonizado de 4.7
tiene un porcentaje de filtrado del 50% a la corriente de sintonía aproximadamente.
Los beneficios del filtro en este sistema son los siguientes:
t
t
t
t
t
t
t
t
t
4FPCUJFOFVOBGPSNBEFPOEBEFWPMUBKFNÈTMJNQJBZTFOPJEBM
4FPCUJFOFVOBGPSNBEFPOEBEFDPSSJFOUFNBTTFOPJEBM
%JTNJOVDJØOEFBNQFSFTEFDPSSJFOUF*SNT
%JTNJOVDJØOEFL7"FOVOUBCMFSP
*ODSFNFOUPEFMGBDUPSEFQPUFODJBEFJBJ
%JTNJOVDJØOEFL7"SEFDPOTVNPEFSFBDUJWPT
%JTNJOVDJØOEFBNQFSFTEFDPSSJFOUF"I
%JTNJOVDJØOEFM5)%WEFB
%JTNJOVDJØOEFOPUDIFTFOFMWPMUBKF
Arreglo
Forma de
Onda Voltaje
Forma de Onda
Corriente
%THDi
Máximo
Potencia
Maxima
( kVA )
5ta Armónica
%THDv
Máximo
SIN Filtro
Distorsionada
con Notches
pronunciados
Distorsionada con
transitorios de
corriene continuos
40%
270
90 Amps
6.5%
CON
Filtro
Senoidal con
Notches
minimos
Mas senoidal sin
transitorios
detectados
30%
125
45 Amps
2.25%
Tabla TR1 Resumen Aplicación de Filtro Pasivo Sintonizado en 480V 200 kVAr
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A continuación se presenta el unifilar de cómo quedo la solución con esta empresa.
Ingeniería Eléctrica
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Ing. Pablo Isaac Kotkoff M.C.
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“En tiempos de cambio, quienes esten abiertos al aprendizaje se adueñaran del futuro, mientras
que aquellos que creen saberlo todo estarán bien equipados para un mundo que ya no existe.” -Eric Hoffer
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