THYSSENKRUPP | Estudio de caso

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ESTUDIO DE CASO

THYSSENKRUPP Aplicación de filtros de 5ta. y 7ma. armónica en 800 VAC

Antecedentes:

Aún cuando la aplicación de filtros de absorción de corrientes armónicas es bien conocida y experimentada por Arteche en sistemas de baja tensión (240V y 480V), en esta ocasión se tuvo el reto de adecuar los diseños de filtros estándar para instalarlos en una tensión de 800 Vca. La aplicación tuvo lugar en la empresa Thyssenkrupp Metalúrgica

de México S.A. de C.V., dedicada a la fabricación de bielas para motores y ubicada en el poblado de San Miguel Xoxtla muy cercano a la ciudad de Puebla. Uno de los procesos más importantes que se realizan en esta planta son la fundición y el tratamiento del acero para lo cual se operan hornos de inducción que utilizan energía eléctrica a través de distintas subestaciones de la planta a 800 Vca. Dichos hornos son operados por rectificadores de seis pulsos y se encuentran acoplados eléctricamente a transformadores de doble secundario, alimentados por un bus general de 6200 V, proveniente de la subestación principal de la planta y alimentada a 115 kV, 3 Fases, 60 Hz, por una línea de C.F.E. La planta operaba anteriormente con una demanda mensual de energía eléctrica de 6MW y un FP de 0.83, por lo que era necesario corregir el FP de manera segura, evitar las penalizaciones que recibían por parte de C.F.E. y disminuir las cargas emisoras de corrientes armónicas existentes en la planta. Desarrollo:

Arteche realizó un estudio eléctrico del sistema eléctrico de la planta para determinar las características del equipo necesario para llevar a cabo dicha tarea de forma segura y confiable. Se presentaron propuestas técnicas y económicas para las cuales la empresa decidió invertir en filtros de armónicas en dos etapas: la primera para evitar la multa por bajo FP y la segunda, una vez conocidos los resultados, para obtener los beneficios de bonificación por concepto de FP por parte de C.F.E. y considerando también el ahorro de energía logrado.

En Febrero del 2005 se llevó a cabo la primera etapa del proyecto en la cual se instalaron dos filtros de absorción de corrientes armónicas de 800 kVAR, 800 V, cada uno en los secundarios del transformador que alimenta al HORNO 3000 de la planta. La siguiente figura muestra el esquema eléctrico de la ubicación de los filtros de armónicas.

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ESTUDIO DE CASO

Diseño:

Para el diseño de los filtros se consideraron, además de los niveles de distorsión armónica y las figuras de mérito tradicionales para el cálculo de filtros de armónicas, los niveles de tensión para todos y cada uno de los componentes de los filtros.

Sección de 5ta. armónica

Sección de 7ma. armónica

Resultados: *La medición se realizó en el secundario con conexión estrella del transformador. Debido al nivel de tensión entre fases, no fue posible llevar a cabo la medición en el secundario con conexión delta. Sin embargo, se espera que el comportamiento sea equivalente en ambos secundarios.

Se observó que cuando el filtro fue energizado, el valor de corriente rms total en el secundario del transformador disminuyó en 38%, la distorsión armónica en la onda de tensión en un 39%, la distorsión armónica en la onda de corriente se redujo en un 48% y el factor de potencia subió a valor unitario. Esto representó liberar de carga reactiva y armónica a dicho transformador y reducir las pérdidas eléctricas en el mismo.

El Factor de Potencia global de la planta, una vez que los equipos fueron instalados fue de 0.926i, según el recibo de energía eléctrica del mes de Abril del 2005. Dado el valor de FP global alcanzado, la planta ha dejado de pagar la penalización impuesta por este concepto, además de recibir ya bonificación por operar a FP más elevado de 0.90.

La siguiente tabla muestra un resumen de los parámetros eléctricos antes y después de la instalación de los filtros:

200600

kVARkVAR

HORNO 3000

2000 kVA

6.3 / 0.765 kV

Z = 5.4%

6.3 kV, 3 Fases, 60 Hz

1500/5ATC FASE A

1500/5A

TC FASE A

RECTIFICADOR

DE 6 PULSOS

HORNO 3000

RFP RFP1250 A 1250 A

5 A 7 A 5 A 7 A

200600kVARkVAR

FILTRO DE ARMÓNICAS

800 kVAR, 800V, 3F

5ta. y 7ma. armónicas

Inelap S.A. de C.V.

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Subestación

(área)

kVAR

instalados

Tensión

(Volts)

Demanda

kW

HORNO 3000*

800 (2) 780 377

Corriente Total (Amps) THD (V) %

Con filtro Sin filtro Con filtro Sin filtro

310 500 4.98 8.27

THD (I) % Factor de potencia

Con filtro Sin filtro Con filtro Sin filtro

19.78 38.4 1.00 0.68

Con lo anterior, la planta ha dejado de pagar penalizaciones por concepto de FP y con los ahorros logrados se estima que la inversión de los equipos tenga una amortización de 9.5 meses.

Las siguientes gráficas muestran las formas de onda y los espectros armónicos del resultado de la aplicación de los filtros en el sistema eléctrico de la planta.

Mediciones sin filtro

1000

750

500

250

0

-250

-500

-750

-1000

1000

750

500

250

0

-250

10:52:59:835 10:52:59:840 10:52:59:845 10:52:59:850 10:52:59:855 10:52:59:860 10:52:59:865

-500

-750

-1000

CHA Volts CHA Volts

AmpsVoltsFormas de onda de Tensión y Corriente

Espectro armónico de tensión

CHA Amps

Total RMS: 444.52Volts

DC Level: 0.55Volts

Even contribution (H02- H30): 1.28% of FND

Odd contribution (H03-H-29): 8.17% of FND

Fundamental (H1) RMS: 438.35Volts

Total Harmonic Distortion (H02-H30): 8.27% of FND

% of FND9

8

7

6

5

4

2

1

0Thd H05 H30H10 H15 H20 H25

Espectro armónico de corriente

CHAAmps

DC Level: 7.46Volts

Total RMS: 301.98Volts

Even contribution (H02- H30): 15.43 % of FND

Odd contribution (H03-H-29): 30.74 % of FND

Fundamental (H1) RMS: 261.33Volts

Total Harmonic Distortion (H02-H30): 34.40 % of FND

% of FND

35

30

25

20

15

10

5

0Thd H05 H10 H15 H20 H30H25

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Mediciones con filtro

Avg

CHTOT PF (arit) avg -0.25

CHA VThdavg 9.74

CHA IThdavg 26.11

Avg

CHA VHarm (300Hz) 13.44

CHA VHarm (420Hz) 10.29

1000

750

500

250

0

-250

-500

-750

-100010:52:59:850 10:52:59:85510:52:59:835 10:52:59:840 10:52:59:845 10:52:59:860

1000

750

500

250

0

-250

-500

-750

-1000

CHA Volts CHA Volts

Volts Formas de onda de Tensión y Corriente Amps

CHA Amps

Total RMS: 451.33Volts

DC Level: -0.86Volts

Even contribution (H02- H30): 2.08 % of FND

Odd contribution (H03-H-29): 4.52 % of FND

Fundamental (H1) RMS: 446.90Volts

Total Harmonic Distortion (H02-H30): 4.98 % of FND

H05 H30H10 H15 H20 H25Thd

Espectro armónico de tensión5

% of FND

4

2

1

0

Espectro armónico de corriente% of FND

20.0

17.5

15.0

12.5

10.0

7.5

5.0

Thd H05 H10 H15 H20

CHAAmps

Total RMS: 311.10Volts

DC Level: -1.93Volts

Even contribution (H02- H30): 3.40 % of FND

Odd contribution (H03-H-29): 19.49 % of FND

Fundamental (H1) RMS: 294.08Volts

Total Harmonic Distortion (H02-H30): 19.78 % of FND

H30H250.0

2.5

%

0.75

Comportamiento del THDV, THDI y FP

0.50

0.25

0.00

-0.25

-0.50

-0.75

-1.00

10:5510:5010:4510:4010:35

CHA VThdavg

10:20 10:25 10:30

CHTOT PF (arit) avg

30

CHA IThdavg

25

20

15

10

5

17/05/2005 10:24:59.79 - 17/05/2005 10:54:00.00

25

20

Volts Comportamiento de la tensión de 5 a y 7 a arm.

15

10

5

10:5510:5010:4510:40

0

10:20 10:25 10:30 10:35

CHA VHarm (300 Hz)

17/05/2005 10:24:59.79 - 17/05/2005 10:54:00.00

CHA VHarm (420 Hz)

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Avg

CHA IHarm (300Hz) 76.66

CHA IHarm (420Hz) 42.91

Comportamiento de la corriente de 5a y 7a. arm.

120Amps

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10:20 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55

17/05/2005 10:24:59.79 - 17/05/2005 10:54:00.00

CHA IHarm(300Hz ) CHA IHarm(420Hz)