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NORMA IEEE QUE RIGE EL USO DE CONVERTIDORES DE FRECUENCIA

DIEGO FERNANDO MORA ARÉVALO CODIGO: 89113062186 DANIEL FERNANDO HIGUERA TABACO CODIGO:

PROFESOR: ALDO PARDO

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA PAMPLONA – NORTE DE SANTANDER MAYO DE 2013

INTRODUCCION Universidad de Pamplona Pamplona - Norte de Santander - Colombia Tels: (7) 5685303 - 5685304 - 5685305 - Fax: 5682750 - www.unipamplona.edu.co

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Durante los últimos años, los variadores de frecuencia han tenido un gran despegue en el mercado. Se trata de una tendencia al alza, porque su nivel de prestaciones es cada día mayor y también porque permiten controlar los procesos y optimizar el trabajo en las plantas. Otro gran argumento para su alta demanda es su efectividad en cuanto a ahorro de energía; sin duda un tema relevante a nivel industrial. Su éxito en el mercado se debe a las distintas aplicaciones para las que están diseñados y las ventajas de su implementación en la automatización de procesos industriales. La automatización de procesos industriales ha impulsado la incorporación de cargas no lineales, verdaderas fuentes de perturbación de los sistemas eléctricos, que inyectan armónicas de corriente, distorsionando su forma de onda. Al interactuar con la impedancia del sistema, ésta distorsiona el voltaje y provoca diferentes problemas en los equipos asociados al sistema. Para establecer responsabilidades entre Consumidor y Distribuidor, se han creado normas nacionales e internacionales, las cuales limitan los rangos permitidos de forma de onda de voltaje a suministrar por la distribuidora y a distorsionar por los consumidores. La norma más utilizada es la IEEE 519 1992, por la que se rigen la mayoría de los nuevos proyectos.

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CONVERTIDORES O VARIADORES DE FRECUENCIA Un Convertidor de Frecuencia Variable (CFV) es un dispositivo eléctrico que se utiliza para controlar la velocidad de un motor de inducción trifásico de CA estándar. El número de polos del motor y la frecuencia que se le aplica, determinan su velocidad base. Es posible ajustar fácilmente la velocidad del motor modificando la frecuencia aplicada. También es posible cambiar la velocidad del motor ajustando el número de polos, pero esto conlleva la transformación física del motor. Sería necesario efectuar un rebobinado y el resultado alteraría drásticamente la velocidad base. Por lo tanto, por razones de comodidad, rentabilidad y precisión, se cambia la frecuencia (y la tensión). Para cada salida de frecuencia específica del convertidor, el motor de CA proporciona una curva par/velocidad diferente. Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por la frecuencia de CA suministrada y el número de polos en el estátor, de acuerdo con la relación: Donde: RPM = Revoluciones por minuto f = frecuencia de suministro CA (Hercio) p = Número de polos Las cantidades de polos más frecuentemente utilizadas en motores síncronos o en Motor asíncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuación citada, resultarían en 3000 RPM, 1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente para motores sincrónicos únicamente y a la frecuencia de 50 Hz. Dependiendo de la ubicación geográfica funciona en 50Hz o 60Hz. En los motores asíncronos las revoluciones por minuto son ligeramente menores por el propio asincronismo que indica su nombre. En estos se produce un desfase mínimo entre la velocidad de rotación (RPM) del rotor (velocidad "real" o "de salida") comparativamente con la cantidad de RPM's del campo magnético (las cuales si deberían cumplir la ecuación arriba mencionada tanto en Motores síncronos como en motores asíncronos ) debido a que sólo es atraído por el campo magnético exterior que lo aventaja siempre en velocidad (de lo contrario el motor dejaría de girar en los momentos en los que alcanzase al campo magnético).

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Figura 1. Diagrama de un conversor o variador de frecuencia. LOS ARMONICOS EN LOS SISTEMAS ELECTRICOS En un sistema de potencia ideal, el voltaje que abastece a los equipos de los clientes, y la corriente de carga resultante son perfectas sinusoides. En la práctica, sin embargo, las condiciones nunca son ideales, tan así que estas formas de onda se encuentran frecuentemente muy deformadas. Esta diferencia con la perfecta sinusoide se expresa comúnmente desde el punto de vista de la distorsión armónica de las formas de onda del voltaje y de la corriente. La distorsión armónica en los sistemas de potencia no es un fenómeno nuevo, esfuerzos para limitarlo a proporciones aceptables ha sido el interés de ingenieros de potencia desde los primeros días de los sistemas de distribución. Entonces, la distorsión era ocasionada típicamente por la saturación magnética de transformadores o por ciertas cargas industriales, tales como hornos o soldadores de arco. El mayor interés eran los efectos de los armónicos sobre motores sincrónicos y de inducción, interferencia telefónica, y fallas en capacitores de potencia. En el pasado, los problemas de armónicas podían se tolerados porque los equipos tenían un diseño conservador y las conexiones Estrella aterrada delta de los transformadores se usaron juiciosamente. Típicamente, la distorsión era ocasionada por cargas no lineales conectadas a la red de distribución. Sin embargo, hoy día son necesarios ciertos métodos para reducir los armónicos, debido a tres razones principales: 1. La proliferación en el uso de los convertidores estáticos de potencia. 2. Las resonancias de red han aumentado. Universidad de Pamplona Pamplona - Norte de Santander - Colombia Tels: (7) 5685303 - 5685304 - 5685305 - Fax: 5682750 - www.unipamplona.edu.co

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3. Las cargas del sistema de potencia son cada vez más sensibles al armónico.

Los efectos de los Armónicos Los efectos de los armónicos se dividen en tres categorías generales: 1. Efectos sobre el sistema de potencia mismo 2. Efectos sobre la carga del consumidor 3. Efectos sobre circuitos de comunicación En el sistema de potencia, las corrientes armónicas son el problema principal, ocasionando recalentamiento y pérdida de vida útil. Esto refiriéndonos a motores o transformadores. El impacto es peor cuando la resonancia de la red amplifica las corrientes armónicas. Los armónicos pueden también interferir en la operación de relees y mediciones. Los armónicos pueden ocasionar también errores de disparo a los tiristores en equipos convertidores y en instalaciones SVC, inexactitudes en las mediciones, y falsos disparos en los dispositivos de protección. El desempeño de los equipos de los consumidores, tales como controladores de velocidad de motores y fuentes de alimentación de computadoras, pueden ser adversamente afectado por los armónicos. Además, las corrientes armónicas que fluyen sobre las líneas de potencia pueden inducir ruido sobre líneas cercanas de comunicación. La distorsión armónica de voltaje puede ocasionar esfuerzos en el aislamiento de equipos, particularmente en condensadores. Cuando los armónicos deforman el voltaje en el banco de condensadores, el voltaje pico puede ser lo suficientemente alto como para ocasionar una descarga parcial, o efecto corona, dentro del dieléctrico del condensador. Esto puede producir eventualmente un cortocircuito entre bornes y carcasa y hacer fallar al condensador. Las corrientes armónicas altas también ocasionan el disparo de fusibles en bancos de condensadores. Esto ocasiona la pérdida de Universidad de Pamplona Pamplona - Norte de Santander - Colombia Tels: (7) 5685303 - 5685304 - 5685305 - Fax: 5682750 - www.unipamplona.edu.co

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una fuente de alimentación reactiva al sistema, lo que puede ocasionar otros problemas. Las Fuentes de Armónicos Los armónicos son ocasionados por cargas no lineales conectadas al sistema de potencia. Las cargas no lineales producen corrientes no sinusoidales. Los resistores, inductores, y los condensadores son dispositivos lineales. Cuando se conecta una carga resistiva en el sistema de potencia AC, se obtiene una corriente sinusoidal. Cuando se conecta una carga inductiva, se observan corrientes sinusoidales aunque con fase diferente a la carga resistiva. Hay muchos tipos de cargas no lineales que producen armónicos. La fuente más grande de armónicos son los convertidores. Los convertidores oscilan desde enormes subestaciones inversoras de 1000 MW para líneas HVDC (High Voltage DC) hasta rectificadores de 75 W encontrados en una televisión. Las otras fuentes no lineales de armónicos incluyen dispositivos de arco tales como hornos de arco, impedancia magnetizante de transformadores, y luces fluorescentes. La corriente armónica ocasionada por las fuentes no lineales pueden ocasionar la distorsión armónica en el voltaje del sistema, lo que puede ocasionar problemas para otros dispositivos. La Figura 4 muestra mediciones para formas de onda de corriente y espectros armónicas para varias fuentes armónicas comunes. NORMA IEEE 519 1992 La IEEE 519 1992 trata principalmente con armónicos introducidos por cargas no lineales, con la finalidad de que los problemas de calidad de potencia puedan ser prevenidos. Su cumplimiento está siendo solicitado cada día más debido al crecimiento en la utilización de convertidores de frecuencia (VDF) y otras cargas no lineales. Los problemas del sistema de potencia asociado con los armónicos comenzaron a ser de interés general en la década de los 70, cuando dos desarrollos independientes tuvieron lugar. El primero era el embargo de petróleo, que condujo a incrementos en la electricidad y al ahorro de la energía. Las compañías de distribución de energía y los consumidores industriales comenzaron a instalar condensadores para el mejoramiento del factor de potencia. Los condensadores reducen la demanda de MVA que exige el sistema eléctrico abasteciendo la porción de reactivos necesarios de forma local (donde se requiere). Como resultado, se reducen las pérdidas eléctricas tanto en la planta industrial como en la red de distribución. Universidad de Pamplona Pamplona - Norte de Santander - Colombia Tels: (7) 5685303 - 5685304 - 5685305 - Fax: 5682750 - www.unipamplona.edu.co

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Para mejorar el factor de potencia fue necesario incrementar significativamente el número de capacitores conectados en el sistema de potencia. Como una consecuencia, ha habido un aumento igualmente importante en el número de circuitos sintonizados (resonantes) en redes de distribución y plantas. El segundo desarrollo involucrado fue la llegada de la era tecnológica de los tiristores en bajo voltaje. En los años 60, los tiristores fueron desarrollados para motores en DC y luego durante la década de los 70, utilizados para controlar la velocidad de motores AC. Esto resultó en una proliferación de pequeños convertidores operados independientemente sin técnicas de mitigación de armónicas. Aún con niveles de corriente de armónicas relativamente bajo, un circuito resonante puede ocasionar severos problemas de distorsión en el voltaje e interferencia telefónica. Un circuito resonante paralelo puede amplificar los niveles de corriente armónica a un punto tal que produzca falla en los equipos. Los circuitos resonantes serie pueden concentrar el flujo de corrientes armónicas en alimentadores o líneas específicas al punto de producir interferencia telefonica de gran magnitud. El aumento en el uso de convertidores estáticos, tanto en equipos de control industrial como en aplicaciones domésticas, combinado con el aumento en el uso de los condensadores para el mejoramiento del factor de potencia, han creado problemas generalizados. Debido a lo extenso de estos problemas, ha sido necesario desarrollar técnicas y lineamientos para la instalación de equipos y control de armónicos. Este segmento discute esos lineamientos y su importancia en el diseño de sistemas. Las normas estadounidenses con respecto a los armónicos han sido agrupadas por la IEEE en la norma 519: IEEE Recomendciones Prácticas y Requerimientos para el Control de armónicas en Sistemas Eléctricos de Potencia. Existe un efecto combinado de todas las cargas no lineals sobre el sistema de distribución la cual tienen una capacidad limitada para absorber corrientes armónicas. Adicionalmente, las compañías de distribución tienen la responsabilidad de proveer alta calidad de abastecimiento en lo que respecta al nivel del voltaje y su forma de onda. IEEE 519 hace referencia no solo al nivel absoluto de armónicos producido por una fuente individual sino también a su magnitud con respecto a la red de abastecimiento. Se debe tomar en cuenta que la IEEE 519 está limitada por tratarse de una colección de recomendaciones prácticas que sirven como guía tanto a consumidores como a distribuidores de energía Universidad de Pamplona Pamplona - Norte de Santander - Colombia Tels: (7) 5685303 - 5685304 - 5685305 - Fax: 5682750 - www.unipamplona.edu.co

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eléctrica. Donde existan problemas, a causa de la inyección excesiva de corriente armónica o distorsión del voltaje, es obligatorio para el suministrador y el consumidor, resolver estos problemas. El propósito de la IEEE 519 es el de recomendar límites en la distorsión armónica según dos criterios distintos, específicamente: 1. Existe una limitación sobre la cantidad de corriente armónica que un consumidor puede inyectar en la red de distribución eléctrica. 2. Se establece una limitación en el nivel de voltaje armónico que una compañía de distribución de electricidad puede suministrar al consumidor. Además, esta norma define distorsión total e individual de voltaje y corriente. La filosofía adoptada fue restringir la inyección de corrientes armónicas de consumidores individuales para no causar niveles de distorsión de voltaje inaceptables. Ver figura 2.

Figura 2. Límites de distorsión de voltaje y corriente IEEE 519-1992. Universidad de Pamplona Pamplona - Norte de Santander - Colombia Tels: (7) 5685303 - 5685304 - 5685305 - Fax: 5682750 - www.unipamplona.edu.co

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BIBLIOGRAFIA •

ARMÓNICOS IEEE 519

http://jaimevp.tripod.com/Electricidad/armonico519_pag3.htm •

Variadores de frecuencia: Responsables de perfeccionar la acción de los motores

http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=1014 •

Convertidores de Frecuencia Variable para el ahorro de energía

http://www.frioycalor.cl/93/rev_93.pdf •

Armónicos y la norma IEEE 519 1992

http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=570&edi=7

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