Estudios de control de contaminación armónica mediante simulación

En blogs anteriores se han desarrollado ya temas referentes al fenómeno de las corrientes armónicas en los sistemas eléctricos industriales, breves explicaciones teóricas de lo que son, cómo se manifiestan, cómo afectan en el sistema y a los equipos eléctricos, así como también las soluciones que existen para reducir su efecto para evitar problemas en nuestro sistema eléctrico industrial y con la normativa existente en cuanto a calidad de energía en México (Código de Red).  Es parte del ADN de Radthink la promoción del análisis de sistemas eléctricos mediante modelos computacionales, los cuales si están bien desarrollados nos acercan al resultado “en la vida real”, asimismo estos modelos de simulación pueden tener como datos de entrada parámetros medidos “reales”. El objetivo de estos estudios es dimensionar “con ingeniería de precisión”, los equipos de van a controlar la contaminación armónica del sistema para cumplir con el Código de Red llámese filtros de armónicas pasivos, híbridos, activos; SVCs (static var compesator), etc. 

En esta ocasión daremos oportunidad de observar las facilidades de análisis de este fenómeno eléctrico mediante el software ETAP, debido a que es importante considerar este tipo de estudios ya que cada vez más, día con día se incrementa el número de equipos o elementos que funcionan con electrónica de potencia, suelen ser llamados no lineales, es decir, que no consumen la energía eléctrica de una forma “lineal” en el tiempo (se les alimenta un voltaje con forma senoidal y toman una corriente totalmente diferente a una forma senoidal). 

La inmensa utilidad y sus grandes beneficios han hecho que ahora estos equipos sean indispensables como los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), variadores de velocidad (Drives), alumbrado fluorescente, alumbrado LED, inversores, etc. Sin embargo, los problemas generados son tanto para los usuarios como para los proveedores del servicio o suministro de energía eléctrica. 

Con el módulo de ETAP, Análisis de Armónicas, podemos simular corrientes armónicas y fuentes de voltaje, identificar problemas de armónicas, reducir disparos innecesarios pro sobre corriente , diseñar y probar filtros e informar sobre violaciones de límites de voltaje y distorsión de corriente armónica. 

estudio de simulación de flujos de corriente armónica
Fig 1. Estudio de simulación de flujos de corriente Armónica en software ETAP. 

ETAP realiza cálculos exhaustivos de flujos de carga y del escaneo de frecuencias utilizando modelos detallados de fuentes armónicas y modelos de frecuencia de los componentes del sistema de potencia. Los resultados se muestran gráficamente, incluyendo el orden armónico, gráficos de espectro armónico y gráficas de forma de onda armónica, así como reportes entregables y cumple con los Estándares de Armónicos: IEEE 519, ANSI/IEEE 399 e IEEE 141. 

En el módulo integrado de respuesta a la frecuencia armónica de ETAP es posible calcular y graficar las magnitudes y los ángulos de fase de la impedancia del bus en un rango de frecuencia especificado por el usuario. Esto permite que cualquier condición de resonancia paralela y su frecuencia de resonancia pueda ser claramente identificada. El estudio también permite a los usuarios ajustar los parámetros de sus filtros armónicos y probar los resultados finales. El rango de frecuencia para el estudio es definido por el usuario, que parte de la frecuencia fundamental y puede llegar tan alto como el usuario necesite. 

Este módulo de ETAP de Análisis de Armónicas, con apoyo del módulo de Flujos de Potencia, nos permite, en pocas palabras, crear un modelo fiel de nuestro sistema eléctrico simulando el comportamiento de las cargas no lineales generadoras de armónicas, esto es posible mediante  los cálculos involucrados en los estándares IEEE  ya mencionados, así como de un editor de reglas, en el cual nosotros podemos adecuar el tipo de comportamiento de acuerdo al elemento no lineal que se encuentre instalado realmente, ya sea un variador de velocidad, un inversor, etc. 

Además de esto, ya teniendo una simulación del comportamiento de sistema, el software tiene dentro de sus capacidades, el dimensionamiento de filtros de armónicas sintonizados, que básicamente nos pemitirá mejorar nuestro estudio en dos aspectos diferentes; la mitigación de distorsión armónica y la compensación del Factor de Potencia. 

Un filtro de armónicos correctamente diseñado puede evitar que la corriente armónica se inyecte en el sistema, o puede proporcionar un camino de baja impedancia en la frecuencia sintonizada para eliminar una resonancia paralela. El editor del filtro de armónicas proporciona todas las estructuras de filtro prácticas y populares que usuario desee elegir. Este editor contempla: filtros de armónicos incorporados en diferentes tipos y dimensionamiento automático del filtro basado en diferentes criterios. 

editor de filtro de armónicas
Fig 2. Editor de Filtro de Armónicas.
dimensionamiento de filtro de armónicas
Fig 2. Dimensionamiento de Filtro de Armónicas.

Entre muchas otras funciones o capacidades que tiene el módulo de Análisis de Armónicas de ETAP, cabe destacar la interfaz muy amigable e intuitiva tanto de las gráficas de forma de onda o de las componentes armónicas existentes, como de la información de entrada y resultados tabulados en los reportes entregables. Así mismo los resultados pueden ser observables directamente en el diagrama unifilar como se aprecia en la Fig 1. 

Simulación de formas de onda
Fig 4. Simulación de formas de onda resultantes en el sofware ETAP.

Una vez visto esto, podemos definir que este módulo de ETAP es una herramienta demasiado completa que nos permitirá definir cómo se encuentra trabajando mi sistema eléctrico industrial a partir de las cargas de electrónica de potencia o no lineales que se tengan en operación y de esta manera observar gráficamente en que condiciones trabajan los equipos instalados y encontrar una mejor solución para mejorar la calidad de la energía con la que operan. También podríamos diseñar un filtro de armónicas para probar la magnitud del beneficio obtenido, incluso se podría simular de acuerdo a mediciones de parámetros de Calidad de Energía realizadas y comparar la simulación del software contra las condiciones reales antes de hacer la inversión. 

Acerca del Autor: 

Ing. Victor Guevara Del Ángel 

Ingeniero Electricista 

Ingeniero Analista de Sistemas Eléctricos Industriales en Radthink SA de CV. 

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