AccuSine® Filtro activo de armónicos

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¿Cómo pueden los filtros activos de armónicos resolver los problemas de calidad y ahorro de energía en su planta?Los equipos de electrónica de potencia se han proliferado en la industria gracias a sus beneficios con el control de procesos y, especialmente, con el ahorro de energía. Sin embargo, traen algunos inconvenientes importantes a los sistemas de distribución eléctrica: armónicos y rápidos cambios de potencia reactiva.

Los armónicos pueden perturbar el funcionamiento normal de otros dispositivos y aumentar los costos de producción. Además, los rápidos cambios de potencia reactiva generan demandas instantáneas de reactivos (kVAR).

Los síntomas de altos niveles armónicos incluyen sobrecalentamiento de transformadores, motores, variadores, cables, disparo térmico de los dispositivos de protección y fallas lógicas de los dispositivos digitales. Además, la vida de muchos aparatos puede reducirse con la elevada temperatura de funcionamiento.

Aplicaciones Requerimientos BeneficiosPlantas de tratamiento de aguas y aguas residuales, fábricas textiles, fábricas de papel, instalaciones de productos farmacéuticos, acerías, plataformas petrolíferas, buques de navegación marítima, industria de extrusión, industria de artes gráficas, industria de plásticos.

Distorsión de voltaje • THD (V)<5%• TDD adecuado para garantizar la operación

de los equipos sin riesgo de daños e interferencias.

• Reduce el contenido de armónicos para satisfacer las normas.

• Elimina los efectos de los armónicos en los equipos.

• Aumenta la capacidad del sistema al mejorar el factor de potencia total.

• Ahorro de energía inmediato.

Las fundiciones, hornos de inducción, unidades DC y grúas.

Rápida compensación de potencia reactiva en entornos ricos en armónicos.

• Compensa en tiempo real el contenido armónico muy fluctuante.

• Suministro en tiempo real de potencia. reactiva para mejorar la regulación de voltaje del sistema.

Centros de datos, hospitales y fabricantes de microelectrónica.

Requisitos críticos en tiempo que incorporan sistemas de seguridad de energía con generadores, UPS.

• Reducción de armónicos. • Correge el factor de potencia principal

cuando se utilizan UPS.

Soldadores, motores de inducción lineal, rayos X y máquinas de resonancia magnética,industria automotriz.

Compensación ultra rápida de VAR. • Compenzación VAR ultra rápida para asegurar la estabilidad del nivel de voltaje para el proceso.

• Elimina el parpadeo. • Reduce el tiempo de diagnóstico de las

máquinas.• Mejora la vida útil de los equipos.

La falta de compensación VAR, oportuna y adecuada, puede dar lugar a fluctuaciones de tensión en el sistema de distribución eléctrica, que afectan el funcionamiento de los equipos.El filtro activo de armónicos AccuSine® proporciona el más sencillo y eficaz medio para mitigar los armónicos, relacionados con el proceso de reducir las fluctuaciones de tensión y mejorar la vida útil de los equipos y la capacidad del sistema.

Ahorro de energía:El contenido de armónicos en corriente genera una sobrecarga, ya que el valor de la corriente rms aumenta según esta relación:

El filtro activo AccuSine® elimina esta corriente adicional, reduciendo también las pérdidas en transformadores y conductores, ahorrando, de esta manera, energía en la instalación.

Aplicaciones típicas

Irms = I1 1 +THD2

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Principales características y beneficios

Una línea simple, que incluye:

• Potencias de 50A, 100A y 300A • Voltaje universal: 208V - 480V, 3 fases 3 hilos • Opciones de encerramiento, NEMA 12, IP30• Oferta mundial: cumple normas IEC, UL, CSA, CE, ABS, C-Tick

Desempeño potente

• Cumple con los principales estándares de armónicos en todo el mundo: IEEE-519-92, G5/4-1, GB/T 14549, IEC61000-3-2/-3-4.

• Respuesta ultra rápida a los cambios de carga - en microsegundos.• Cancela todos los armónicos del 2° al 50° orden.• Capacidad de inyección instantánea de corriente reactiva del 225%

para responder a las fluctuaciones de la carga y dar soporte a la estabilidad del voltaje.

Modularidad

• Se pueden instalar hasta diez unidades en paralelo con el mismo juego de transformadores de corriente, para ampliar la capacidad.

Control amigable

• Pantalla gráfica QVGA, multi-idioma. • Estado de unidad de funcionamiento, los perfiles de carga aparecen

en pantalla de 3.8 pulgadas. • Claridad en la operación de botones de marcha y parada.• Comunicación Modbus®.

El filtro AccuSine® de Schneider Electric inyecta corriente armónica para cancelar la corriente armónica en el sistema de distribución de energía eléctrica. Así, reducir el nivel de armónicos resulta en mejora de la confiabilidad del sistema eléctrico y del ahorro de energía.

El filtro Accusine® es simple de estimar, de instalar, de configurar y operar. Además, el filtro AccuSine® elimina los complejos cálculos de cumplimiento del límite de los armónicos y elimina los molestos armónicos de la red eléctrica.

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Principio de funcionamiento del filtro activo de armónicos

El sistema de corrección de potencia AccuSine® inyecta corriente armónica y reactiva para limitar la distorsión y mejorar el factor de potencia total para el sistema de distribución de energía eléctrica en cualquier instalación. El filtro AccuSine® mide la corriente total de carga del sistema, determina la componente fundamental e inyecta a la red la componente armónica en fase opuesta, de tal forma que los armónicos quedan cancelados. La lógica de amplio espectro del filtro AccuSine® no se enfoca en frecuencias específicas, sino que más bien crea una forma de onda en tiempo real sobre la base de los aportes de sus circuitos de detección, independientemente de las frecuencias que la corriente de carga no lineal contiene.

El filtro AccuSine® supervisa la carga a través de transformadores de corriente montados en la línea de alimentación de la carga en cuestión. Esta información es analizada por la lógica para determinar la magnitud de la corrección a inyectar por el equipo en las líneas de AC.La mayoría de los filtros activos de armónicos están diseñados con dos tipos de sistemas de control.

Uno utiliza la Transformada Rápida de Fourier (FFT) para calcular el ángulo de fase y amplitud de cada orden de armónico. La electrónica de potencia está dirigida a producir una corriente de igual amplitud pero en ángulo de fase opuesto para órdenes de armónicos específicos. Esto limita la respuesta a pedidos específicos de armónicos y puede requerir hasta dos o más ciclos (> 33 milisegundos) antes de responder.

El otro sistema de control (como el que es usado por el filtro AccuSine®) es llamado de completo cancelador de espectro.

Este esquema de control no realiza FFT. Los algoritmos de control son analógicos. La lógica adquiere una muestra de corriente desde el transformador, remueve la componente de la frecuencia fundamental e inyecta la corrección en algunos cientos de microsegundos. De esta manera, todos los “ruidos” no-fundamentales se retiran de la red eléctrica. Este “ruido” puede contener frecuencias no enteras, también conocidas como interarmónicos.

Reactancia3%

Carga no lineal

Fuente

Is: Corriente de las fuentes (libre de armónicos)Ia: Corriente inyectada por el filtro Accusine®Ib: Corriente de carga

Ia Is Ib

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Guía de aplicación

El filtro AccuSine® puede ser utilizado fácilmente en diversas aplicaciones; en conjunto con otros equipos de corrección de calidad de potencia, tales como filtros de armónicos sintonizados, bancos de condensadores, etc. Por este motivo, examinamos cada aplicación cuidadosamente para garantizar la correcta selección.

El filtro AccuSine® puede ser colocado en varios puntos dentro de la red de distribución eléctrica. Varias unidades (hasta 10) se pueden conectar en paralelo para proporcionar una compensación más elevada de corriente y satisfacer los niveles de TDD definidos en el estándar IEEE519-1992, o los niveles definidos en los requisitos de funcionamiento de la planta, de ser necesario.

Nota: Un requisito previo importante para la aplicación del filtro AccuSine® es instalar un reactor de impedancia de línea de 3% o superior o equivalente en frente de cada carga no lineal, como un VFD, UPS o fuente de alimentación SCR.

Filtrado individual paraevitar la contaminación delas cargas conectadas aljuego de barras Filtrado principal para cumplir

con reglamentaciones y eliminarpérdidas en el transformadorgeneradas por los armónicos

Filtrado de la barraauxiliar

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Determinación del tamaño de la unidadPara una instalación nueva o una existente de la que se conozcan las cargas no lineales, nues-tros especialistas podrán determinar el filtro activo adecuado en función de los objetivos de TDD deseados en la planta.

Por ejemplo, una instalación industrial desea satisfacer el nivel de Distorsión de Demanda Total (TDD) del 8%, por problemas de interferencia. Recolectamos la información del sistema de la siguiente manera:

Potencia del transformador 2000kVA, con un 5% de impedanciaTensión de sistema 480VNivel deseado TDD 8%

Lista de cargas no lineales 2 x 150kVA UPS (Conversor de diodo) 6 x 50HP VFD (PWM) 6 x 20HP VFD (PWM) 20 x 10HP VFD (PWM) 2 x 100HP VFD (PWM)

Carga lineal total 400kVA

Voltaje del sistema eléctrico 480 voltios

Todas las cargas total 1828.3A

Todas las cargas lineales total 481.1AFactor de potencia por desplazamiento original

0.950

Objetivo del factor de potencia por desplazamiento

0.950

TDD del sistema eléctrico antes del filtro AccuSine®

17.06% TDD

TDD objetivo 8.00% TDD

AccuSine® requerido 245.9A de corrección

El programa de selección del filtro AccuSine® calcula que, a fin de cumplir con requisito del 8% TDD, es obligatorio un PCS-AccuSine nominal de 245.9A RMS. En este caso, debe ser especificada una unidad de 300A nominal (en este ejemplo, puede lograrse un 5% TDD debido a que 300A es la unidad seleccionada, o se puede obtener una capacidad VAR de compensación adicional).

El programa de selección arroja el siguiente resumen de resultados:

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Especificaciones

Capacidad de salida estándar RMS actuales 50A, 100A, 300AVoltaje nominal 208-480V + / - 10% detección automática

Otros voltajes Con transformador

Frecuencia nominal 50/60 Hz + / - 3 Hz detección automática

Número de fases 3F3H / 3F4H

Electrónica de potencia IGBT

Topología Interfase analógica/digital

Operación con carga monofásica SiTransformadores de corriente 500 / 5, 1000 / 5, 3000 / 5, 5000 / 5 (400Hz)Número de CTs requeridos 2 ó 3Compensación de espectro 2° a 50° armónicoRelación de atenuación > 10:1 Paralelo de varias unidades Si, hasta 10 por serie de CTs (cualquier combinación de

tamaño)Ubicación TC Fuente o cargaCorrección de reactivos SiTiempo de respuesta 100 microsegundos para los cambios de paso de carga, 1

ciclo de respuesta completaSobrecarga Limitada a la de potencia nominal, funcionamiento continuoInyección dinámica de corriente instantánea Hasta 2.25 veces la corriente nominalPantalla Alta calidad de 3.8” pantalla QVGAIdiomas Inglés, con capacidad de otro idiomaControl Magelis XBT terminal gráfico de pantalla táctil Parámetros de visualización • Tensión AC de la línea, tensión de bus DC, factor de potencia

de carga de salida • Carga de corriente armónica, carga reactiva de corriente,

corriente armónica de salida, corriente de carga corregida• Varios códigos de error, puntos de inicio de los parámetros

establecidos, pantalla de control de paradaCapacidad de comunicación Modbus, Modbus TCP / IPPérdidas de calor 2150W para 50A, 3700W para 100A, 10,000 W para

300A

Nivel de ruido (ISO 3746) <80 dB a un metro de la superficie de la unidadColor RAL7032Temperatura de funcionamiento 0° a 40°C continuoHumedad relativa 0 -95% sin condensaciónCalificación sísmica ASCE7 y CIBAltitud de funcionamiento <1000m, (otros factores aplican para mayores altitudes @

10% por cada 1000m)Protección NEMA 12, IP30, Opcional: Certificación CE EMC IEC/EN60439-1, EN61000-6-4 clase A, EN61000-6-2

Filtro AccuSine®

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Directrices de instalación

El filtro activo AccuSine® se presenta como opción en IP30. Son aptos para ambientes interiores, bien ventilados, limpios con una temperatura ambiente de 0°C a 40°C. Para entornos polvorientos (tales como operaciones de minería, fábricas de acero, fábricas de papel) es necesario un filtrado y aire acondicionado (para mantener la temperatura ambiente y quitar el polvo conductivo).

Corriente nominal

(rms)

Máxima potencia reactiva (kVAR) Referencia

Encerramiento Dimensiones Peso

208 V 400 V 480 V Clase Figura # Lbs (kg)

50 18 34,8 41,8PCS050D5N126S NEMA 12

1 661 (300)PCS050D5IP306S IP 30

100 38 88,2 83,1PCS100D5N126S NEMA 12

2 771 (350)PCS100D5IP306S IP 30

300 108 207,8 249,4PCS300D5N126S NEMA 12

3 1212 (550)PCS300D5N126S IP 30

Tabla de selección del filtro AccuSine® PCS

Capacidad en Amp

Catálogo No. Dimensiones Peso (lb) Precisión Capacidad de carga

Corriente secundariaA (ID) D (OD)

500 CT500SC 4.0 6.5 3.5 2% 3 VA 5 A

1000 CT1000SC 4.0 6.5 3.5 1% 10 VA 5 A

3000 CT3000SC 6.0 8.5 4.25 1% 45 VA 5 A

5000 CTFCL5000 8.0 10.5 5.5 1% 45 VA 5 A

Nota: Se necesitan tres TC para redes con cargas monofásicas. Se necesitan dos TC para cargas trifásicas.Para las instalaciones que requieren conexión de múltiples unidades AccuSine®, son necesarias consideraciones especiales.

Tabla de selección de transformadores de corriente

Dimensiones de la unidad

Figura 1 Figura 2 Figura 3

Vista frontal Vista lateralVista frontal Vista lateralVista frontal Vista lateral

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Caso de estudio

IntroducciónEn una importante compañía de extrusión colombiana en la ciudad de Bucaramanga, con más de 21 años de liderazgo en el mercado de tubería de alta presión para gas y agua, se presentó un problema de compatibilidad electromagnética debido al alto contenido de armónicos que generaba una de las líneas de extrusión. En este caso de estudio, se analizan los antecedentes y se documenta los beneficios de la instalación de un filtro AccuSine®.

Antecedentes y cálculosEl primer paso consistió en la elaboración de un análisis que permitiera recoger los datos para el dimensionamiento del equipo. A continuación se muestran las tendencias de THD en corriente y tensión, así como el perfil de carga para la línea de extrusión en estudio:

Comportamiento del THD en corriente

Comportamiento del THD en tensión

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De esta forma se obtienen los datos claves:

Tensión del sistema 440 VACCorriente promedio 480ATHD en corriente 30%Energía reactiva consumida 150kVAR

Mediante la siguiente fórmula es posible estimar la corriente rms armónica, es decir la componente efectiva relacionada con las frecuencias no fundamentales:

Donde IRMS: Corriente total de carga. THDi: Tasa de distorsión armónica en corriente. IH: Corriente efectiva armónica.

Una vez obtenidos los datos, se estima la corriente armónica total:

El filtro activo Accusine® compensa simultáneamente los armónicos y los reactivos mediante inyección dinámica de corriente. La capacidad total de inyección del filtro está dada por la siguiente relación:

Donde IFILTRO: Capacidad requerida del filtro activo. IH: Corriente efectiva armónica requerida. IR: Corriente efectiva reactiva requerida.

Comportamiento de la corriente total de carga

112 +

=

i

RMSH

THD

II

RMSH AAI 113

130,01

480

2

=+

=

22RHFILTRO III +=

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ResultadosPara verificar la eficacia y rendimiento del filtro activo, se tomaron medidas en el sistema, deteniendo su operación durante un tiempo y así poder notar los cambios en el sistema y el efecto del filtro.

A continuación se muestran los resultados:

Comportamiento de la distorsión en corriente con y sin filtro en operación.

Comportamiento de la corriente total de carga

Así, se estima la corriente equivalente necesaria para compensar los 150kVAR que absorbe la carga, asumiendo un factor de potencia objetivo unitario:

Finalmente, se calcula la capacidad del filtro requerido:

De esta manera, para esta aplicación, se eligió un filtro activo Accusine® de 300 amperes.

A

VkVAR

VQI

LL

cR 197

4403000.150

3=

×⇒

×=

−

AIFILTRO 227197133 22 =+=

Accusine Off Accusine On

Accusine Off Accusine On

Con los resultados se evidencian los beneficios del filtro activo desde el instante mismo de ponerlo en operación.

El resumen de variables se muestra en la siguiente tabla:

SIN ACCUSINE® CON ACCUSINE®

Tensión del sistema 440 VAC 440VACCorriente promedio 480A 360ATHD en tensión 33% 4,5%THD en corriente 30% 5%Factor de potencia total 0,65 0,96

• La corriente rms total disminuye drásticamente, ya que se elimina la componente adicional que genera los armónicos. De esta forma, disminuyen las pérdidas por calentamiento en conductores y devanados, las pérdidas en núcleo de transformador, consiguiendo importantes ahorros de energía.

• La instalación cumple con todos los requisitos de compatibilidad electromagnética y normas aplicables sobre contaminación armónica.

• El desempeño del equipo es totalmente independiente del nivel de carga de la instalación.

BR

O/E

E/9

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