THYSSENKRUPP | Estudio de caso
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ESTUDIO DE CASO
THYSSENKRUPP Aplicación de filtros de 5ta. y 7ma. armónica en 800 VAC
Antecedentes:
Aún cuando la aplicación de filtros de absorción de corrientes armónicas es bien conocida y experimentada por Arteche en sistemas de baja tensión (240V y 480V), en esta ocasión se tuvo el reto de adecuar los diseños de filtros estándar para instalarlos en una tensión de 800 Vca. La aplicación tuvo lugar en la empresa Thyssenkrupp Metalúrgica
de México S.A. de C.V., dedicada a la fabricación de bielas para motores y ubicada en el poblado de San Miguel Xoxtla muy cercano a la ciudad de Puebla. Uno de los procesos más importantes que se realizan en esta planta son la fundición y el tratamiento del acero para lo cual se operan hornos de inducción que utilizan energía eléctrica a través de distintas subestaciones de la planta a 800 Vca. Dichos hornos son operados por rectificadores de seis pulsos y se encuentran acoplados eléctricamente a transformadores de doble secundario, alimentados por un bus general de 6200 V, proveniente de la subestación principal de la planta y alimentada a 115 kV, 3 Fases, 60 Hz, por una línea de C.F.E. La planta operaba anteriormente con una demanda mensual de energía eléctrica de 6MW y un FP de 0.83, por lo que era necesario corregir el FP de manera segura, evitar las penalizaciones que recibían por parte de C.F.E. y disminuir las cargas emisoras de corrientes armónicas existentes en la planta. Desarrollo:
Arteche realizó un estudio eléctrico del sistema eléctrico de la planta para determinar las características del equipo necesario para llevar a cabo dicha tarea de forma segura y confiable. Se presentaron propuestas técnicas y económicas para las cuales la empresa decidió invertir en filtros de armónicas en dos etapas: la primera para evitar la multa por bajo FP y la segunda, una vez conocidos los resultados, para obtener los beneficios de bonificación por concepto de FP por parte de C.F.E. y considerando también el ahorro de energía logrado.
En Febrero del 2005 se llevó a cabo la primera etapa del proyecto en la cual se instalaron dos filtros de absorción de corrientes armónicas de 800 kVAR, 800 V, cada uno en los secundarios del transformador que alimenta al HORNO 3000 de la planta. La siguiente figura muestra el esquema eléctrico de la ubicación de los filtros de armónicas.
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ESTUDIO DE CASO
Diseño:
Para el diseño de los filtros se consideraron, además de los niveles de distorsión armónica y las figuras de mérito tradicionales para el cálculo de filtros de armónicas, los niveles de tensión para todos y cada uno de los componentes de los filtros.
Sección de 5ta. armónica
Sección de 7ma. armónica
Resultados: *La medición se realizó en el secundario con conexión estrella del transformador. Debido al nivel de tensión entre fases, no fue posible llevar a cabo la medición en el secundario con conexión delta. Sin embargo, se espera que el comportamiento sea equivalente en ambos secundarios.
Se observó que cuando el filtro fue energizado, el valor de corriente rms total en el secundario del transformador disminuyó en 38%, la distorsión armónica en la onda de tensión en un 39%, la distorsión armónica en la onda de corriente se redujo en un 48% y el factor de potencia subió a valor unitario. Esto representó liberar de carga reactiva y armónica a dicho transformador y reducir las pérdidas eléctricas en el mismo.
El Factor de Potencia global de la planta, una vez que los equipos fueron instalados fue de 0.926i, según el recibo de energía eléctrica del mes de Abril del 2005. Dado el valor de FP global alcanzado, la planta ha dejado de pagar la penalización impuesta por este concepto, además de recibir ya bonificación por operar a FP más elevado de 0.90.
La siguiente tabla muestra un resumen de los parámetros eléctricos antes y después de la instalación de los filtros:
200600
kVARkVAR
HORNO 3000
2000 kVA
6.3 / 0.765 kV
Z = 5.4%
6.3 kV, 3 Fases, 60 Hz
1500/5ATC FASE A
1500/5A
TC FASE A
RECTIFICADOR
DE 6 PULSOS
HORNO 3000
RFP RFP1250 A 1250 A
5 A 7 A 5 A 7 A
200600kVARkVAR
FILTRO DE ARMÓNICAS
800 kVAR, 800V, 3F
5ta. y 7ma. armónicas
Inelap S.A. de C.V.
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Subestación
(área)
kVAR
instalados
Tensión
(Volts)
Demanda
kW
HORNO 3000*
800 (2) 780 377
Corriente Total (Amps) THD (V) %
Con filtro Sin filtro Con filtro Sin filtro
310 500 4.98 8.27
THD (I) % Factor de potencia
Con filtro Sin filtro Con filtro Sin filtro
19.78 38.4 1.00 0.68
Con lo anterior, la planta ha dejado de pagar penalizaciones por concepto de FP y con los ahorros logrados se estima que la inversión de los equipos tenga una amortización de 9.5 meses.
Las siguientes gráficas muestran las formas de onda y los espectros armónicos del resultado de la aplicación de los filtros en el sistema eléctrico de la planta.
Mediciones sin filtro
1000
750
500
250
0
-250
-500
-750
-1000
1000
750
500
250
0
-250
10:52:59:835 10:52:59:840 10:52:59:845 10:52:59:850 10:52:59:855 10:52:59:860 10:52:59:865
-500
-750
-1000
CHA Volts CHA Volts
AmpsVoltsFormas de onda de Tensión y Corriente
Espectro armónico de tensión
CHA Amps
Total RMS: 444.52Volts
DC Level: 0.55Volts
Even contribution (H02- H30): 1.28% of FND
Odd contribution (H03-H-29): 8.17% of FND
Fundamental (H1) RMS: 438.35Volts
Total Harmonic Distortion (H02-H30): 8.27% of FND
% of FND9
8
7
6
5
4
2
1
0Thd H05 H30H10 H15 H20 H25
Espectro armónico de corriente
CHAAmps
DC Level: 7.46Volts
Total RMS: 301.98Volts
Even contribution (H02- H30): 15.43 % of FND
Odd contribution (H03-H-29): 30.74 % of FND
Fundamental (H1) RMS: 261.33Volts
Total Harmonic Distortion (H02-H30): 34.40 % of FND
% of FND
35
30
25
20
15
10
5
0Thd H05 H10 H15 H20 H30H25
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Mediciones con filtro
Avg
CHTOT PF (arit) avg -0.25
CHA VThdavg 9.74
CHA IThdavg 26.11
Avg
CHA VHarm (300Hz) 13.44
CHA VHarm (420Hz) 10.29
1000
750
500
250
0
-250
-500
-750
-100010:52:59:850 10:52:59:85510:52:59:835 10:52:59:840 10:52:59:845 10:52:59:860
1000
750
500
250
0
-250
-500
-750
-1000
CHA Volts CHA Volts
Volts Formas de onda de Tensión y Corriente Amps
CHA Amps
Total RMS: 451.33Volts
DC Level: -0.86Volts
Even contribution (H02- H30): 2.08 % of FND
Odd contribution (H03-H-29): 4.52 % of FND
Fundamental (H1) RMS: 446.90Volts
Total Harmonic Distortion (H02-H30): 4.98 % of FND
H05 H30H10 H15 H20 H25Thd
Espectro armónico de tensión5
% of FND
4
2
1
0
Espectro armónico de corriente% of FND
20.0
17.5
15.0
12.5
10.0
7.5
5.0
Thd H05 H10 H15 H20
CHAAmps
Total RMS: 311.10Volts
DC Level: -1.93Volts
Even contribution (H02- H30): 3.40 % of FND
Odd contribution (H03-H-29): 19.49 % of FND
Fundamental (H1) RMS: 294.08Volts
Total Harmonic Distortion (H02-H30): 19.78 % of FND
H30H250.0
2.5
%
0.75
Comportamiento del THDV, THDI y FP
0.50
0.25
0.00
-0.25
-0.50
-0.75
-1.00
10:5510:5010:4510:4010:35
CHA VThdavg
10:20 10:25 10:30
CHTOT PF (arit) avg
30
CHA IThdavg
25
20
15
10
5
17/05/2005 10:24:59.79 - 17/05/2005 10:54:00.00
25
20
Volts Comportamiento de la tensión de 5 a y 7 a arm.
15
10
5
10:5510:5010:4510:40
0
10:20 10:25 10:30 10:35
CHA VHarm (300 Hz)
17/05/2005 10:24:59.79 - 17/05/2005 10:54:00.00
CHA VHarm (420 Hz)
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Avg
CHA IHarm (300Hz) 76.66
CHA IHarm (420Hz) 42.91
Comportamiento de la corriente de 5a y 7a. arm.
120Amps
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10:20 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55
17/05/2005 10:24:59.79 - 17/05/2005 10:54:00.00
CHA IHarm(300Hz ) CHA IHarm(420Hz)