 |
||||||||
|
|
Diferencias entre Diseño de Filtro Armónico en Media y Baja Tensión Abstracto – El uso de los filtros armónicos en el nivel de media y baja tensión es mucho más frecuente debido a los recientes avances en los convertidores de energía con semiconductores. La estructura de mercado y la aplicación en el mundo real de los filtros armónicos pasivos es aun relativamente nueva , y por lo tanto, los aspectos del mundo real del mercado de filtro armónico real no es comprendido por muchos ingenieros de instalación y de consulta. El propósito de este documento es introducir el mercado actual de filtro armónico y cómo los filtros armónicos son aplicados, diseñados y fabricados en los Estados Unidos. Hay muchos documentos acerca de los armónicos, pero hay pocos, si alguno, que presentan los aspectos prácticos de este mercado relativamente nuevo. I. Introducción El amplio uso de filtros armónicos en sistemas industriales de media y baja tensión no ocurrió hasta principio de los años 80, cuando se hizo frecuente el uso de controladores de frecuencia variable y el problema armónico se convirtió en algo ampliamente entendible. El desarrollo de la tecnología semiconductora rentable, de alta potencia es lo que maneja este mercado. Anteriormente, los problemas armónicos eran poco frecuentes y estaban aislados solo a un número de industrias que utilizan mecanismos como el Mercury Arc Rectifier, por lo tanto, la aplicación y diseño de los filtros armónicos eran limitados y se realizaban en una base entre trabajos por firmas de ingeniería y fabricantes especializados. El mercado de filtro armónico, concebido a principios de los años 80, es relativamente nuevo y sus dinámicas de mercado no son entendidas por muchos ingenieros. Los mercados de filtro de media y baja tensión son diferentes desde un punto de vista técnico, de marketing y de aplicación. Los aspectos de filtros de media tensión (sobre los 600 voltios) son más o menos diferentes que los filtros de baja tensión (600 voltios y menores), mientras que los filtros de media tensión (filtros de 2,4 kV y 4,13 kV) parecen compartir similitudes de los dos niveles de tensión. Hay muchos documentos acerca del tema de los armónicos, pero hay unos pocos, si alguno, que se dirigen a los aspectos prácticos de este mercado relativamente nuevo, con énfasis en los filtros armónicos del “mundo real”.
Las Figuras 1 y 2 muestran el típico diseño de filtros armónicos de media y baja tensión. En muchos casos la serie de filtro puede Fig. 1. Typical Medium Voltage Filter Layout consistir de dos o más etapas separadas (bancos más pequeños), conectadas al conmutador principal. Esto es normalmente realizado para proporcionar un control más preciso del factor de energía y/o tensión, o para limitar el tamaño de los conmutadores de condensador o contactores. A excepción de los reactores, los componentes en un filtro armónico son similares a los de un banco de condensadores paralelos. De hecho, un filtro armónico se comporta como un banco de condensadores en 60 Hz (proporciona un kvar principal, o se puede utilizar para controlar la tensión y factor de energía). Es en frecuencias sobre los 60 Hz que los dos se comportan de manera diferente. Aunque hay muchos tipos de filtros, casi todos los filtros armónicos usados en las instalaciones industriales son filtros sintonizados o de alta frecuencia, como se ven en la Figura 3. Entre más complicados sean los arreglos de filtros, como el filtro en forma de C es más costoso, es menos efectivo, (en clasificaciones de var fundamental igualitario), y es raramente presentada. Estos filtros también necesitan mucho estudio. Fig. 3 - Types of Harmonic Filters Los filtros armónicos funcionan al proporcionar un camino de baja impedancia para las corrientes armónicas generadas por cargas no lineales, como se ve en la Figura 5, para el sistema visto en la Figura 4. La impedancia del filtro en la frecuencia sintonizada es mucho menor que la impedancia del sistema/fuente. El efecto neto (combinación paralela de la impedancia del filtro armónico y la impedancia de la fuente en el 5º armónico) es mucho menos impedancia en el 5º armónico. Este efecto es ilustrado en la Figura 6 para todas las frecuencias hasta el 25º armónico. El gráfico muestra tres escáneres de impedancia armónica (mirando desde el controlador) de una típica instalación industrial. Como se puede ver, la impedancia del sistema con el filtro armónico es mucho más baja en su frecuencia sintonizada (5º armónico en el gráfico). Esto es verdad en el 5º y 7º armónico donde una importante cantidad de corriente armónica estaría presente para un rectificador de 6 pulsos. Una impedancia de sistema neto bajo es deseable en todas las frecuencias donde las corrientes armónicas están presentes ya que muchas cargas no lineales actúan como fuentes de corriente ideales y una impedancia más baja resultaría en una distorsión de tensión más baja.
Fig. 4- Simplified System Diagram
Fig.
5 - Equivalent Circuit of System Shown in Fig. 4 Otros puntos importantes que se deberían considerar en la Figura 6 son lo siguientes:
La Tabla 1 resume las importantes características de construcción y aplicación de los filtros armónicos de media y baja tensión. Sólo los aspectos más pertinentes son mencionados en este documento. A. Diseño del Condensador La mayoría (si no todos) de los condensadores utilizados en los filtros armónicos en el nivel de baja tensión hacen uso de un electrodo “metalizado”. Este electrodo tiene una característica “auto regeneradora”, y ofrece la ventaja que una falla dieléctrica dentro del condensador no traduce hacia el condensador defectuoso, sino que una pequeña pérdida de capacidad. Miles de dichas fallas dieléctricas pueden ocurrir antes de cualquier cambio medible en la capacidad. La principal preocupación con el uso de un condensador auto-regenerador en los filtros armónicos de baja tensión, es el cambio en la frecuencia de sintonización y el cambio en la frecuencia anti-resonante de la pérdida impredecible de capacidad con el tiempo, lo cual se ilustra en la Figura 7. Los fabricantes de baja tensión compensan este problema sintonizando sus series de filtro lejos del 5º armónico, normalmente a una frecuencia cercana al 4,7º, pero algunos sintonizan en 4,1º. El hacerlo puede causar que la frecuencia anti-resonante se reduzca al 3º, y puede causar problemas con los 3º armónicos generados por la reactancia magnetizada de los transformadores y motores. El único retroceso al sintonizar lejos del 5º armónico es que causa una impedancia de filtro innecesariamente alta en el 5º armónico (menos capacidad de filtrado).
Fig. 7 - Shift in Tuning Frequency Due to Loss of Capacitance in Low Voltage Capacitors En el nivel de media tensión, el condensador normalmente consiste de un diseño de película/hoja, donde el electrodo es totalmente separado del dieléctrico del condensador. Estos condensadores no son auto-regeneradores, por lo tanto, con el tiempo su capacidad cambia muy poco. Esto ofrece un punto de sintonización muy estable, pero no proporciona protección de las fallas dieléctricas. Sin embargo, no hay información industrial que sugiere que los condensadores de media tensión son menos confiables que los condensadores de película metalizada de baja tensión. Además del diseño de electrodo, algunos fabricantes de baja tensión han comenzado a fabricar condensadores de tipo seco. El uso de un dieléctrico seco en condensadores de filtro armónico es relativamente nuevo, y la tecnología no es aun probada en las aplicaciones de energía eléctrica. B. Conexión de Condensadores Debido a las economías, los condensadores de baja tensión son normalmente trifásicos y están conectados internamente de manera aislada en Y o delta. La conexión interna hace un diseño más compacto, pero oculta lo neutral y elimina la posibilidad de utilizar esquemas de detección de tensión neutral desequilibrada y la opción de poner el reactor en el lado de la carga del banco de condensadores. El esquema de detección neutral, habitualmente utilizado en bancos de media tensión, protege los condensadores de tensiones elevadas causadas por fusibles quemados en bancos de condensadores paralelos aisladas en conexión en Y (Y dividida). La tensión elevada en los bancos de condensadores desequilibrados no es problema si los condensadores están conectados en delta. Este no es el caso para todos los fabricantes de baja tensión ya que los condensadores están conectados internamente en una configuración en Y para aliviar el estrés de tensión asociado con los filtros armónicos.
Ya que los condensadores de media tensión son normalmente monofásicos y pueden tener dos casquillos, se pueden conectar de cualquier manera. La más común es la conexión aislada en Y debido a la simplicidad en el trabajo del conductor. Esto permite la detección de fusibles quemados por un relé de tensión neutral. C. Clasificación de Tensión del Condensador Dependiendo del fabricante, los fabricantes de filtro de baja tensión pueden usar condensadores “cementados armónicos” de 480 o 600 voltios. Estos condensadores están clasificados para transportar tensiones y corrientes de exceso armónico. El problema con los condensadores cementados armónicos es que una comparación entre los condensadores de un fabricante y el de otro son difíciles de evaluar, y se basan en los reclamos. Para hacer la comparación incluso más difícil, el estándar de condensador paralelo de ANSI/IEEE no se aplica a los condensadores de baja tensión, y por lo tanto, no hay un estándar para los condensadores paralelos en el nivel de baja tensión. Underwrites Laboratories proporciona un estándar, pero este es sólo para la seguridad. En el nivel de madia tensión, los filtros armónicos utilizan el estándar, condensadores “fuera del almacenamiento”. Los condensadores son normalmente clasificados en 115% de la clasificación de tensión nominal de los sistemas para justificar el aumento de tensión fundamental y las tensiones armónicas. La clasificación de tensión real utilizada es determinada por el ingeniero de diseño, y varía dependiendo de la frecuencia sintonizada, filosofías del ingeniero, niveles de corriente armónica y la interpretación de los estándares. Esto no significa un problema en un punto de vista de evaluación, ya que es probable que los condensadores de media tensión se adhieran al estándar del condensador paralelo de ANSI/IEEE y, por lo tanto, puede ser evaluado basándose en la información de la placa. D. Protección de Condensador La protección del condensador en el nivel de baja tensión es simple y directa. Los condensadores de baja tensión, contrario a los condensadores de media tensión, fallan al abrir y contienen interruptores de presión para prevenir la ruptura de la caja. Un forfait común utilizado por la mayoría de los fabricantes sería fusionar el condensador en 250% a 300% de la corriente clasificada del condensador. En el nivel de media tensión, los condensadores son más difíciles de fusionar ya que fallaron, y no contienen interruptores de presión, por lo tanto, hay un alto riesgo de una ruptura de caja. El fusible debe se medido lo suficientemente bajo para detectar un nivel bajo, fallas de desarrollo, pero lo suficientemente alto como para prevenir la quema de fusibles espurios. Además, la aplicación de los fusibles en el nivel de media tensión es más complejo que en el nivel de baja tensión. No existe un forfait simple, por ejemplo, un fusible de corriente limitada de media tensión puede ser clasificado como “propósito general” o como “corriente limitada de respaldo”. También se pueden clasificar como “expulsión limitada” o “expulsión”, y puede tener clasificaciones de tensión en declive. Las características de aplicación y de operación de estos fusibles son considerablemente diferentes. E. Diseño de Ingeniería Casi todas las series de filtro de baja tensión son estándar, diseños “fuera de almacenamiento”. Los formatos, catálogos, y la lista de precios están disponibles para la mayoría de los principales fabricantes. Ya que los diseños son estándar, los filtros se pueden ofrecer con plazos de producción en una semana. La desventaja del concepto de diseño estándar es que las condiciones inusuales no se pueden justificar. Por ejemplo, una instalación con un nivel de corriente armónica inusualmente alto puede recibir el mismo condensador y reactor que la instalación con un nivel de corriente anormalmente bajo. Esto puede ser verdadero incluso si se ofrece una especificación por escrito. Algunos fabricantes pueden asumir el riesgo de la falla de la serie de filtro en lugar de ofrecer una personalización más de diseño generalizado. Clasificación, criterio de clasificación y estándares de clasificación en los filtros de baja tensión no están disponibles y por lo tanto, es difícil comparar las clasificaciones de filtro entre los fabricantes. La mayoría, si no todos, los filtros de media tensión son construidos y diseñados en una base de trabajo. En muchos casos el fabricante sigue una especificación escrita por un consultor o la firma A&E. Ya que los filtros de media tensión no son estándar en diseño, los diseños pueden variar considerablemente entre trabajos, y los tiempos de producción son normalmente entre las 10 a 15 semanas. F. Sintonización del Filtro Casi todos los filtros en el nivel de baja tensión son sintonizados cerca del 5º armónico (en realidad cerca del 4,7º armónico). Un par de fabricantes sintonizan sus bancos más bajo, pero siguen refiriéndose a sus filtros como filtros del 5º armónico. Sintonizar el banco en un armónico cerca del 4º baja la corriente armónica y el estrés de tensión en los componentes del filtro. Esto reduce los costos, pero también reduce la capacidad de filtrado. Este concepto es ventajoso para una instalación que quiere mejorar el factor de energía y evitar la resonancia en lugar de mejorar la distorsión de tensión. Las instalaciones que necesitan filtrado deberían usar filtros sintonizados cerca del 5º armónico. En cualquier caso, el consumidor final debería requerir la frecuencia de sintonización del fabricante. G. Reactor Los reactores de filtro pueden tener un núcleo de hierro o de aire. En general, los filtros de baja tensión son normalmente de núcleo de hierro, mientras que los filtros de media tensión pueden ser de núcleo de hierro o de aire. Los reactores de núcleo de aire ocupan más espacio y son difíciles de poner en los gabinetes. Son normalmente más económicos en los bancos de filtros más grandes, y son normalmente aplicados conjuntamente con los filtros montados en bastidor externo. Los reactores de núcleo de aire no se saturan y por lo tanto, contribuyen a un punto de sintonización más estable incluso para corrientes altas u bajo condiciones inusuales.
Fig. 8 - Typical Iron Core Designs Los reactores de núcleo de hierro de baja tensión normalmente utilizan un núcleo trifásico como se ve en la Figura 8. Los reactores construidos en estos núcleos peso menos, ocupan menos espacio, tienen menores pérdidas y cuestan menos que los reactores trifásicos de igual capacidad. Los reactores de núcleo de hierro de media tensión pueden ser trifásicos o monofásicos y son dependientes de los fabricantes y sus capacidades. La principal desventaja de los reactores de núcleo de hierro es que se saturan. El nivel de saturación depende de la corriente fundamental y de las corrientes armónicas que verá el reactor. No hay un estándar de ANSI o NEMA para la clasificación de los reactores de filtro armónico y por lo tanto, es difícil evaluar los reactores de diferentes fabricantes. Por ejemplo, algunos fabricantes de reactores basan sus diseños de núcleo (área transversal del núcleo) en el flujo RMS, mientras que otros los basarán en el flujo máximo (con fuljo armónico añadido directamente). Hay una importante diferencia entre estos dos diseños. Para propósitos de evaluación, el aumento del peso y temperatura del reactor son una indicación de la cantidad de hierro utilizado.
IV. Conclusión Este documento ha ilustrado el mercado actual del filtro armónico y cómo los filtros son diseñados, fabricados y aplicados en los Estados Unidos. Debería estar claro a partir de este documento que el diseño y fabricación de filtros de media y baja tensión son bastante diferentes. También debería estar claro que hay una falta de estándares en el área de los filtros armónicos, lo cual dificulta la consistencia y la evaluación de los filtros armónicos. Se espera que este documento estimulará un interés en el diseño actual, aplicación y fabricación de los filtros armónicos pasivos, y aumentará el número de documentos y estándares dedicados a los filtros armónicos.
Paul B. Steciuk - El Sr. Steciuk obtuvo su Licenciatura en Ciencias en Energía Eléctrica en 1988 de Rensselaer Polytechnic Institue en Troy, Nueva York, y su Máster de la misma institución en 1996. Su experiencia es en las áreas de aplicación de productos y análisis de sistema de energía. Ha estado involucrado en el diseño, especificación, desarrollo y elaboración de filtros armónicos y equipos de corrección del factor de energía. Sus deberes también han incluido el análisis armónico, el desarrollo de técnicas de medida armónica, solución de problemas en las áreas de condensadores de corrección del factor de energía, ha realizado estudios del flujo de carga en sistemas de energía para establecer los límites de transferencia térmica y los requerimientos de flujo de la energía reactiva, y otros análisis de sistema de energía. Para ventas en Latinoamérica: Ingeniería y Desarrollo Tecnológico S.A. www.idt.cl
Northeast
Power Systems, Inc. Website: www.nepsi.com
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
