Una mejora activa de la calidad

Los filtros activos PQF de ABB mejoran

el rendimiento y la eficiencia de los sistemas

kUrT SCHiPMAn, FrAnçoiS DELinCÉ – La creciente utilización

de cargas no lineales en todo tipo de aplicaciones industria­ les y comerciales ha dado lugar a la presencia de armónicos que pueden resultar perjudiciales para la red eléctrica y provocar el sobrecalentamiento de los cables, motores y transformadores, causar daños a los equipos sensibles, desconectar disyuntores y fundir fusibles, así como envejecer de forma prematura la instalación.

Los filtros activos y modulares PQF de ABB representan una solución fiable y rentable a este problema, dado que super­ visan continuamente la intensidad en tiempo real para determinar la presencia de armónicos y después inyectar corrientes armónicas en la red con una fase exactamente opuesta a la de los componentes que van a filtrarse. Los dos armónicos se anulan entre sí de modo que la onda sinusoidal queda limpia para el transformador de alimentación.

Una mejora activa

de la calidad

armónica de tensión en la red pública. En consecuencia, cualquier usuario del servi­ cio que esté conectado al mismo suminis­ tro se verá afectado por la contaminación producida por otro cliente del servicio. Esto puede ocasionar problemas de funciona­ miento en otras instalaciones.

La mayoría de las centrales eléctricas han adoptado y cumplen las normas y los reglamentos de calidad relativos a la ener­ gía para limitar este tipo de problemas. El incumplimiento de tales normativas condu­ ce a la denegación de la conexión de una nueva instalación.

Cómo abordar la contaminación de armónicos y el desequilibrio de carga Tradicionalmente, se han propuesto los filtros pasivos como método para reducir la contaminación de armónicos. En las ins­ talaciones de baja tensión, se aplica cada vez menos esta solución cuando:

− las instalaciones de baja tensión son muy dinámicas, lo que produce una sobrecarga del filtro pasivo relativamen­ te rápida;

− las cargas modernas (por ejemplo, accionamientos de velocidad variable, sistemas de iluminación actuales) tienen ya un excelente factor de potencia unitario (cos φ) (posiblemente, incluso capacitivo) que produce un exceso de compensación cuando hay un filtro pasivo instalado. Si a esto se añade la limitada capacidad de los generadores de reserva habituales para funcionar con factores cos φ capacitivos, la fiabilidad de la instalación se reduce; − los filtros pasivos instalados en instala­

ciones de baja tensión suelen utilizarse para los armónicos de menor orden. En la actualidad, sin embargo, los armóni­ cos de las frecuencias más altas son los que plantean más problemas en las instalaciones;

− la eficiencia de los filtros pasivos queda definida por la proporción de la impe­ dancia del filtro pasivo y la impedancia mes. Esto queda ilustrado en ➔1, donde

se ofrece una visión general de las pérdi­ das económicas típicas que se producen por un incidente de calidad de la energía (parada) en instalaciones eléctricas de varios sectores industriales [1]. Los datos marcados con asterisco (*) proceden de un estudio a escala europea sobre esta cues­ tión realizado por el Instituto Europeo del Cobre en 2002. El resto de la información se basa en datos de ABB.

Un posible método para cuantificar teórica­ mente las pérdidas añadidas que causan los armónicos en los transformadores es utilizar la norma IEEE C57.110 [2]. El impacto calculado dependerá de las cir­ cunstancias locales, pero lo que resulta claro es que las pérdidas se acumulan con rapidez.

Actualmente, la mayor parte de la contami­ nación de armónicos se crea en forma de corriente armónica producida por las car­ gas en las instalaciones individuales. Esta

corriente armónica, inyectada en la impe­ dancia de la red, se convierte en tensión armónica (ley de Ohm) y luego se aplica a todas las cargas de las instalaciones del usuario. Además, la corriente armónica que se produce en una instalación, si no se filtra, fluirá también por los transformadores de alimentación hasta la fuente del servicio de suministro y provocará una distorsión

L

as redes con energía eléctrica de mala calidad ocasionan pérdidas económicas, un impacto negati­ vo en el medio ambiente o pro­ blemas de seguridad. Hay tres causas im­ portantes de la calidad deficiente de la energía eléctrica:

– Contaminación de armónicos

− Desequilibrios de carga que provocan desequilibrios de tensión

− Energía reactiva

Cuando estas condiciones se dan en exce­ so, se producen fallos frecuentes en los equipos o la reducción de la vida de éstos, pérdidas de producción, menores niveles de seguridad en las instalaciones, mayor huella de carbono, incumplimiento de las normativas del servicio de suministro y otros efectos no deseados. Además de las pérdidas económicas, se incurre en otros costes por las pérdidas añadidas de kWh en componentes habituales de la red, como transformadores, cables y motores. Tales pérdidas redundan en las centrales eléctricas del servicio de suministro público y, según el proceso y la fuente de la energía eléctrica, aumentan las emisiones de CO₂. Las centrales nucleares, por ejemplo, ape­ nas dejan huella de CO₂ por kWh, mientras que las centrales eléctricas de carbón ge­ neran entre 900 y 1.000 g/kWh.

Si debido a la deficiente calidad de la ener­ gía eléctrica la producción debe detenerse, los costes en los que se incurre son enor­

Los filtros activos y

modulares PQF de

ABB se emplean

para contrarrestar

el efecto potencial­

mente perjudicial

de los armónicos

en la red eléctrica.

1 Ejemplos de pérdidas económicas debidas a incidentes de calidad del suministro eléctrico Sector Pérdidas financieras por incidente (en euros) Fabricación de semiconductores (*) 3,8 millones (5,3 millones de dólares)

Mercados financieros (*) 6 millones (8,4 millones de dólares) Centros informáticos (*) 750.000 millones (1 millón de dólares) Telecomunicaciones (*) 30.000 millones (42.000 de dólares) Siderurgia (*) 350.000 millones (490.000 de dólares) Industria del vidrio (*) 250.000 millones (350.000 de dólares) Plataformas marinas 250.000­750.000 (350.000­1 millón de dólares) Dragado y recuperación de terrenos anegados 50.000­250.000 (70.000­350.000 de dólares)

y la señal invertida resultante acciona el puente del transistor bipolar de puerta ais­ lada (IGBT). Puesto que no hay retroali­ mentación, la corriente de línea resultante puede contener normalmente componen­ tes de error que el sistema de control no detecta.

En resumen, las ventajas de utilizar un sis­ tema en bucle cerrado en lugar de abierto son [3]:

− los sistemas en bucle cerrado permiten cancelar los errores en el bucle de control y en el comportamiento en respuesta a perturbaciones exteriores; los sistemas en bucle abierto no tienen esta función;

− los sistemas de control en bucle cerrado pueden reaccionar con tanta rapidez como los de bucle abierto, siempre que se determinen los paráme­ tros del bucle de control para que se comporten de este modo.

Es preferible utilizar el enfoque del dominio de frecuencias que el del dominio de tiem­ po. A continuación se explica el motivo. En el enfoque del dominio de tiempo, el componente de la frecuencia fundamental se elimina de la señal de corriente medida. La forma de onda restante se invierte y la señal resultante acciona el puente del tran­ sistor bipolar de puerta aislada (IGBT) del filtro activo. Este enfoque no tiene en cuen­ ta el hecho de que las características de la red son diferentes para distintas frecuen­ cias, así como las características de los transformadores de intensidad (CT) de me­ dida y del sistema de control. El rendimien­ to de los filtros activos con este enfoque de control disminuye a medida que aumenta la frecuencia. En el enfoque del dominio de frecuencias, cada armónico y sus corres­ pondientes características del sistema se tratan de forma individual y el rendimiento puede optimizarse para los componentes armónicos en el ancho de banda de filtra­ do. En consecuencia, se puede mantener el mismo rendimiento de filtrado (alto) en todo el ancho de banda. El principio en el que se basa el enfoque del dominio de frecuencias para el filtrado se muestra en ➔4.

El mejor rendimiento de filtrado se conse­ guirá utilizando un filtro activo con sistema de control en bucle cerrado y un enfoque de dominio de frecuencias individual. Entre otras ventajas de estos filtros se incluyen las siguientes:

− Pueden predefinirse los requisitos del usuario para cada armónico (por ejemplo, requisito de conformidad normativa).

− el uso de un sistema de control en bucle cerrado;

− el enfoque relativo al dominio de fre­ cuencias para el procesamiento y el control de la corriente contaminada.

Para los filtros activos, la cuestión del bucle cerrado y el bucle abierto radica en el lugar en el que deban instalarse los transforma­ dores de intensidad (CT) de medida del filtro activo ➔3.

En los sistemas de bucle cerrado, se mide la corriente anterior a la carga y la conexión del filtro y se adoptan medidas correctoras. Cualquier medida u otras imprecisiones pueden cancelarse automáticamente y compensarse con el concepto de bucle cerrado. En los sistemas en bucle abierto, la corriente de carga se mide y se procesa, de la red y, por tanto, no puede garanti­

zarse. En consecuencia, es práctica­ mente imposible garantizar el cumpli­ miento de las normativas con la utiliza­ ción de filtros pasivos.

Lo anterior explica la tendencia mundial a abandonar las soluciones de filtrado pasivo en favor de soluciones de filtrado activo en aplicaciones de baja y media tensión. Los filtros activos más comunes se en­ cuentran en los equipos eléctricos basados en la electrónica de potencia instalados en un alimentador paralelo a las cargas conta­ minantes ➔2.

El controlador de un filtro de calidad de la energía (PQF) de ABB analiza los armóni­ cos de corriente de la línea, así como las necesidades del cliente. De ese modo, puede generar para cada frecuencia armó­ nica una corriente armónica (corriente de compensación) con una fase opuesta a la de la corriente contaminante medida. Dado que el PQF no funciona conforme al principio convencional de baja impedan­ cia de armónicos utilizado por los filtros pasivos, permanece inalterable ante los cambios en los parámetros de la red y no puede sufrir sobrecarga. Además, en com­ paración con las unidades de filtros pasi­ vos, los filtros activos pueden ampliarse con facilidad.

Para que el rendimiento sea eficaz en todo el ancho de banda del filtro, hay dos aspectos de control esenciales:

La tendencia actual

es abandonar las

soluciones de filtra­

do pasivo en favor

de soluciones de

filtrado activo en

aplicaciones de baja

y media tensión.

2 Diagrama de conexión de los filtros activos más comunes Alimen­ tación Filtro activo Carga Sólo lo esencial idistorsión

icompensación

3 Principio de filtro activo de bucle cerrado y de bucle abierto Filtro activo Filtro activo Recorrido de la distorsión Recorrido de la distorsión Bucle cerrado Bucle abierto

4 Principio del método de filtrado del dominio de frecuencias

Corriente de alimentación Corriente de carga Corriente del filtro

den una central eléctrica que alimenta a numerosos grupos de bombeo. La gran mayoría de las cargas están controladas por accionamiento de CA. Hay 40 grupos aproximadamente, cada uno con una carga en el intervalo de 2 MW. Sin filtros activos, la distorsión armónica total de ten­ sión (THDV) en el lado de la baja tensión del grupo sería igual al 12%, y la distorsión armónica total de corriente (THDI) sería del 27% ➔6.

Con filtros activos, la THDV se ha reducido al 2% y la THDI al 3% ➔7.

En general, se ha mejorado notablemente la calidad de la energía de los grupos, lo que permite que la planta funcione den­ tro de los límites de la norma IEEE 519 y garantiza un funcionamiento sin problemas de los distintos grupos.

Otro ejemplo examina la calidad de la ener­ gía a bordo de un buque ➔8. El buque en cuestión tiene una central eléctrica con dos generadores que funcionan a unos 600 kVA cada uno. Las cargas principales son dos unidades de propulsión con accionamiento de CC. Antes de la compensación, la THDI estaba cercana al 25% y la THDV corres­ pondiente era de aproximadamente el 22%. El factor cos φ de la instalación esta­ ba en torno al 0,76. El consumo de com­ bustible habitual del buque estaba entre 14.000 y 15.000 litros al mes.

Los requisitos del cliente eran los siguien­ tes:

− Reducir la contaminación de armónicos a niveles aceptables para evitar problemas técnicos con las unidades de propulsión.

− Realizar la compensación de la energía reactiva sin riesgo de sobrecompensa­ ción.

Por esta razón, se seleccionaron y se insta­ laron filtros activos de ABB. La opinión del cliente fue muy alentadora, dado que los problemas técnicos se resolvieron y había margen para ahorrar aproximadamente un 10% de los costes de combustible. En tér­ minos anuales, el cliente tiene la posibilidad de ahorrar cerca de 18.000 litros de com­ bustible. La razón principal es que uno de los generadores podía desactivarse con mayor frecuencia gracias a la mejor calidad de la red.

Cómo se ha mostrado en los ejemplos an­ teriores, las cuestiones relativas a la cali­ dad de la energía suelen plantearse a me­ nudo en las redes industriales debido a la presencia de un número nada desdeñable de (grandes) cargas de contaminación. En todo caso, la calidad de la energía es tam­ bién motivo de preocupación en las aplica­ − Pueden seleccionarse armónicos

individuales para permitir un uso óptimo de los recursos del filtro (por ejemplo, no es necesario filtrar el quinto armóni­ co si éste ya ha sido filtrado por otro dispositivo).

− Es posible establecer y conservar obje­ tivos precisos para cos φ. Esto permite que los filtros activos funcionen en apli­ caciones en las que es necesario con­ trolar con precisión el factor cos φ para evitar perturbaciones en la instalación (por ejemplo, desconexión de un gene­ rador). Las unidades de filtración activa de ABB pueden compensar tanto las cargas inductivas como las capacitivas. − Puede aplicarse un equilibrado preciso de cargas permitiendo la descarga de los sistemas neutros y evitando que la tensión del neutro a tierra se mantenga en los niveles mínimos. Además, puede garantizarse el equilibrado de la carga de, por ejemplo, un UPS. En ➔5 se muestra un ejemplo de aplicación de equilibrado mediante un filtro activo PQF de ABB con control de bucle cerrado.

Además de los aspectos funcionales, los filtros activos más avanzados, como son las unidades de ABB, tienen características que permiten minimizar las pérdidas opera­ tivas del equipo y proporcionar más fiabili­ dad a la instalación. Esto se debe a las valiosas funciones secundarias (por ejem­ plo, la reducción automática de la tempe­ ratura, entre otras).

resultados en la práctica

Los filtros activos PQF de ABB y otros equipos de calidad de la energía de ABB se aplican en diversos campos.

Por ejemplo, las instalaciones de explota­ ción de un yacimiento petrolífero compren­

El mejor rendimien­

to de filtrado se

conseguirá utilizan­

do un filtro activo

con sistema de

control en bucle

cerrado y un enfo­

que de dominio de

frecuencias indivi­

dual.

5 Ejemplo de aplicación de equilibrado con un filtro activo de bucle cerrado

L1: 49,1 Arms L2: 5,3 Arms L3: 5,1 Arms N: 44,1 Arms N: 3,5 Arms L1: 19,6 Arms L2: 19,4 Arms L3: 19,5 Arms

Nota: Datos de la parte superior: carga original desequilibrada

inestable. El simple cambio del punto de trabajo de las cargas en uno de los lados del edificio afectaría al funcionamiento de otras cargas situadas en otras dependen­ cias. Una cuestión claramente inaceptable, ya que podría provocar la pérdida de clien­ tes por la baja calidad del servicio. El equi­ po de filtrado de ABB resolvió estos pro­ blemas.

kurt Schipman François Delincé ABB Power Products Charleroi, Bélgica kurt.schipman@be.abb.com francois.delince@be.abb.com

referencias

[1] European Copper Institute (2002). European power quality survey.

[2] IEEE, C57.110­2008: práctica recomendada por la IEEE para el establecimiento de la capacidad de los transformadores al suministrar corrientes de carga no sinusoidales. 2008. [3] Kuo, B.C. Automatic Control Systems. John

Wiley & Sons, Inc. New York, NY, The United States.

para el funcionamiento del producto y por cuestiones de seguridad.

− Presencia del factor cos φ capacitivo debido al hardware moderno del servidor, que puede exigir con el tiempo la disminución de los valores del sistema UPS, etc.

Un ejemplo de aplicación comercial es la calidad de la energía en un prestigioso hotel de varias estrellas. Dispone de habi­ taciones, suites, salas especiales y área de negocios. Las cargas típicas que se pue­ den encontrar son ascensores de alta velo­ cidad, interruptores para regulación de la luminosidad y otros equipos habituales de oficina, como ordenadores, impresoras, etc. A causa de todas estas cargas, la cali­ dad de la energía eléctrica se ha deteriora­ do hasta el extremo de que la tensión es ciones comerciales, en las que la presencia

de muchas cargas contaminantes monofá­ sicas crea problemas como los siguientes: − Aumento del esfuerzo armónico al que

se ven sometidos los equipos que suelen ser más vulnerables que los equipos industriales.

− Excitación de resonancia a causa de la presencia de terceros componentes armónicos en combinación con baterías de condensadores con una reactancia de desintonización incorrectamente seleccionada o sin ninguna reactancia en absoluto.

− Corrientes neutras con valores superio­ res a los de los conductores neutros y los elevadores de bus.

− Tensiones del neutro a tierra demasiado altas, que pueden no ser aceptables

8 ABB redujo el consumo de este barco en un 10%

Los filtros activos

PQF de ABB ofre­

cen otras funcio­

nes que minimizan

las pérdidas opera­

tivas del equipo y

proporcionan más

fiabilidad a la insta­

lación.

6 Formas de onda de tensión (arriba) y de intensidad (abajo) antes del filtrado en el lado de baja tensión del grupo de bombeo

Forma de onda en 22/11/01 10:25:43,533 10:25:43.72 10:25:43.73 10:25:43.74 10:25:43.75 10:25:43.76 10:25:43.77 10:25:43.78 750 500 250 0 ­250 ­500 ­750 3.000 2.000 1.000 0 ­1.000 ­2.000 ­3.000 Voltios Amperios Voltios CHA Voltios CHB Voltios CHC Amperios CHA Amperios CHB Amperios CHC

7 Formas de onda de tensión (arriba) y de corriente (abajo) después del filtrado en el lado de baja tensión del grupo de bombeo

Forma de onda en 22/11/01 10:41:55,533 10:41:55.72 10:41:55.73 10:41:55.74 10:41:55.75 10:41:55.76 10:41:55.77 10:41:55.78 3.000 2.000 1.000 0 ­1.000 ­2.000 ­3.000 Amperios Voltios CHA Voltios CHB Voltios CHC Amperios CHA Amperios CHB Amperios CHC 750 500 250 0 ­250 ­500 ­750 Voltios