No Confunda los Bancos de Condensadores Paralelos con Filtros de Armónicos

Introducción
Esta nota técnica presenta las razones del por qué los bancos de condensadores paralelos y las series de filtro armónico no se deberían aplicar juntas en un sistema de energía industrial o de utilidad cuando no exista una transformación de tensión o una impedancia importante entre ellas. Dicha aplicación (en realidad una mala aplicación) se muestra en la Figura 1 a continuación. Este sistema es utilizado a través de esta nota técnica para ilustrar los problemas que pueden ocurrir.

Antecedentes
Los bancos de condensadores paralelos y las series de filtro armónico normalmente se aplican en el mismo nivel de tensión en error por las siguientes razones.

Figura 1 - Típico Sistema Industrial Mostrando una Mala Aplicación de Filtros Armónicos y Bancos de Condensadores Paralelos.

Descripción del Sistema
La Figura 1 muestra un sistema de energía industrial que es alimentado desde una utilidad eléctrica de 34,5kV. La tensión es transformada al nivel de 4,16kV para la utilización por un transformador de 7,5/12,5 MVA que tiene una impedancia de un 7,5%. Varios grandes motores (800hp) con los bancos de condensadores conectadas en sus terminales reciben energía desde centros de control de motores ubicados en el Conductor 10, Conductor 11, y Conductor 12. El Conductor 13 contiene un banco de condensadores paralelos que corrige el factor de energía para una aglomeración de carga mientras que el Conductor #1 está equipado con un 4,7º filtro armónico sintonizado de 1,5MVAR (1.500kvar).

Análisis Armónico – Escáner de Impedancia de Sistema
Se utilizó un programa de análisis armónico para mostrar cómo este sistema funcionaría o se comportaría bajo diferentes escenarios de operación. Los siguientes escenarios fueron investigados:

Escenario 1 – En este escenario de operación, la serie de filtro armónico FL-1 es autónomo, mientras que el CAP-1 es activo. Varias cantidades de motores son activados para mostrar los efectos del motor.

Escenario 2 – Esta serie de filtro y CAP-1 son activados mientras varias cantidades de motores son activados para mostrar los efectos de los condensadores del terminal del motor mientras que la serie de filtro está conectado.

Escenario 3 – Todos los condensadores estándar son removidos, y la serie de filtro es aumentada en tamaño para compensar los condensadores que fueron removidos.

Resultados del Escenario 1

La figura 2 muestra tres escáneres de impedancia del Conductor #1. Cada escáner representa las características de sistema de impedancia como se ve desde el Conductor #1 con varias cantidades de motores (y condensadores de terminal de motor). El eje X muestra el número armónico mientras que el eje Y muestra las impedancias de características. Las crestas son referidas como una resonancia paralela. En locaciones de resonancia paralela, la distorsión de tensión armónica puede ser muy alta y es igual que producir la Impedancia del Conductor 4,16kV en Ohmios y la inyección de tensión armónica en amps (Vn=In x Zn).

La figura 2 muestra una cercanía a la séptima resonancia por la condición en la que dos condensadores de motores están funcionando. Un amp de la 7ª carga armónica resultaría en aproximadamente 27 voltios de la 7ª tensión armónica, el cual sería un escenario de operación inaceptable. Un transmisor de Impulso 6 de 100 HP, por ejemplo, inyectaría aproximadamente 2 amps de la 7ª corriente armónica y resultaría en una distorsión de tensión del conductor de 21% o 52,7º voltios armónicos (Vn/VL-N x 100% = 52/2400 x 100% = 2.1%).

Figura 2 – Escáner de impedancia desde el Conductor #1 Mostrando los Efectos de los Condensadores de Motor en la Resonancia de Sistema.

Resultados del Escenario 2
La Figura 3 muestra un escáner de impedancia por un escenario en donde todos los condensadores son activados, además de la serie de filtro armónico. El punto de sintonización y la resonancia paralela de los condensadores estándar y serie de filtro armónico son ilustrados. Los siguientes puntos claves se deberían anotar de acuerdo a la figura 3:

• La resonancia paralela creada por el filtro armónico no es normalmente una preocupación ya que ocurre en una orden armónica donde no hay corrientes armónicas siendo producidas por la carga. Por lo tanto, sin la corriente armónica, no habrá tensión amónica. Este punto resonante es estable, y es afectado por la frecuencia del filtro y la impedancia de cortocircuito del sistema. Sin embargo, siempre permanecerá debajo de la frecuencia de sintonización del filtro.
• La baja impedancia creada por el 4,7º filtro está determinado por el filtro y permanecerá de manera estacionaria.
• La resonancia paralela creada por los condensadores estándar es afectada por la impedancia de cortocircuito del sistema y la cantidad de kvar (número de motores en este caso) que están conectados a un tiempo dado y el filtro armónico. La resonancia normalmente cambiará con el número de motores funcionando y puede crear problemas para las plantas industriales.

Figura 3 – Escáner de Impedancia del Conductor #1 Mostrando los Puntos de Resonancia Paralelos Creados desde la Serie de Filtro y los Condensadores Estándar.

La figura 4 muestra tres escáneres de impedancia diferentes para el escenario 2. La figura claramente ilustra que el número de condensadores del motor afecta dramáticamente la resonancia paralela creada por los condensadores estándar. Una 7ª resonancia de sistema ocurre por el caso donde hay tres motores funcionando. Bajo el escenario 1, tomó sólo dos motores, por lo tanto es evidente que la serie de filtro impacte el desempeño de los condensadores estándar. El sistema resultante, sin embargo, es inaceptable.

Figura 4 – Escáner de impedancia del Conductor #1 Mostrando los Efectos de los Condensadores del Motor en la Resonancia del Sistema mientras que el filtro armónico está conectado.

Resultados del Escenario 3
La figura 5 muestra un escáner de impedancia con sólo la serie de filtro armónico. El tamaño de la serie de filtro ha sido aumentado para suministrar los vars perdidos por el condensador de funcionamiento del motor y CAP-1 en el Conductor 13. Como se puede ver en el gráfico, la impedancia de las corrientes armónicas sobre la frecuencia de sintonización del filtro (4,7º para este filtro) es baja. El resultado será una baja tensión armónica y un desempeño del sistema aceptable.
Los puntos Claves del Escenario 3 son las siguientes:

• La resonancia paralela de la serie de filtro siempre permanecerá  bajo de la frecuencia de sintonización del filtro. Por esta razón, las series de filtros son normalmente sintonizadas a una frecuencia mas abajo de la carga armónica no lineal más común (por ejemplo, el 5º armónico).
• La resonancia paralela cambiará hacia la izquierda o derecha por cantidades muy pequeñas. El cambio es normalmente causado por un cambio en la impedancia del cortocircuito del sistema, o por el tamaño de la serie de filtro. De cualquier manera, esta condición no es de preocupación.
• La parte de baja impedancia del escáner (frecuencia de sintonización del filtro en el 4,7º armónico) es determinada por la serie de filtro armónico.

Figura 5 – Escáner de Impedancia del Conductor #1 Mostrando las Características de Impedancia del Sistema Sin Condensadores Estándar Conectados.

La figura 6 muestra cómo el punto de resonancia paralelo creado por el armónico puede cambiar por un cambio en la impedancia del cortocircuito y el número de motores funcionando (los motores en realidad cambian la impedancia del cortocircuito, y por lo tanto cambia la ubicación resonante por una pequeña cantidad). El gráfico sólo se muestra por los armónicos entre el 3º y 6º para ilustrar más claramente el punto. Como se puede ver, la resonancia paralela sólo cambia entre el armónico 3,8 t 4,2.

Figura 6 – El Escáner de Impedancia del Conductor #1Mostrando los Efectos en la Resonancia Paralela de las Series de Filtro por la Variación de las Condiciones del Sistema.

Análisis Armónico – Cálculos de la Distorsión de Tensión
Además de desarrollar los escáneres de impedancia armónica, también es común calcular la distorsión armónica total resultante, THD, basada en la información de corriente armónica medida o proyectada. La siguiente ecuación se utiliza para calcular la Distorsión Armónica Total en Cada Conductor. Los cálculos son realizados para cada Escenario de operación anterior.

Conclusión
Esta nota técnica presentó las razones del por qué los bancos estándar de condensadores paralelos y las series de filtro armónico no se deberían aplicar en el mismo nivel de tensión sin una importante impedancia entre ellos. La importante impedancia puede consistir de un transformador o muchas millas de líneas de distribución.
Si está planeando añadir un banco de condensadores o una serie de filtro a su sistema de energía, es importante reconocer los problemas potenciales de aplicación. NEPSI tiene ingenieros de energía licenciados, experimentados y calificados que pueden guiarlo y asistirlo con las especificaciones de su aplicación.

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