La planta industrial estudiada dispone de dos máquinas impresoras de última tecnología, contando cada una de ellas con 50 motores accionados con drivers de rectificador de 6 pulsos e inversor PWM. Se produjeron fallas en los descargadores de sobretensión (varistores) internos de los equipos, ocasionando en todos los casos la salida de servicio de la planta completa. Se encontró que la tensión en la barra de BT tenía un alto contenido armónico. El estudio explica el mecanismo de resonancia que ocasiona los eventos y define la solución para su mitigación.Instituto de Investigaciones Tecnológicas para Redes y Equipos Eléctricos (IITREE

Barbera, Gustavo Ariel

Issouribehere, Fernando

Issouribehere, Pedro

Spanish

El Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

MITIGACIÓN DE ARMÓNICAS EN INSTALACIONES  CON DRIVERS DE MOTORES 
Pedro E. Issouribehere, Gustavo A. Barbera y Fernando Issouribehere 
Instituto de Investigaciones Tecnológicas Para Redes y Equipos Eléctricos 
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA - ARGENTINA
Resumen: la Planta Industrial estudiada dispone 
de dos máquinas impresoras de última 
tecnología, contando cada una de ellas con 50 
motores accionados con drivers de rectificador 
de 6 pulsos e inversor PWM. Se produjeron 
fallas en los descargadores de sobretensión 
(varistores) internos de los equipos, 
ocasionando en todos los casos la salida de 
servicio de la planta completa. Se encontró que 
la tensión en la barra de BT tenía un alto 
contenido armónico. El estudio explica el 
mecanismo de resonancia que ocasiona los 
eventos y define la solución para su mitigación.  
 
1. INTRODUCCIÓN 
La configuración de la red es la indicada en la 
Figura 1. Recibe de la Distribuidora en MT con 
doble circuito. Disponen de dos (2) transformadores 
de MT/BT de 2,5 MVA c/u. Las dos barras de BT, 
en condiciones de configuración básica, alimentan 
a las dos máquinas y a los servicios auxiliares de la 
planta. 
El total de demanda contratada es de 2,5 MW, 
incluyendo el resto de cargas de la planta. 
 
Figura 1 – Configuración de la red. 
Ambas barras 1 y 2, si bien están dimensionadas 
para alimentar cada una a una máquina, no tienen 
iguales cargas. Mientras que la 1 alimenta a la 
máquina 1, la 2 alimenta a la máquina 2 y a otras 
cargas de mayor peso. 
En la operación con la configuración normal se 
produjeron fallas en equipos de la máquina 1 que 
ocasionaron la salida de servicio de la máquina. Se 
encontró que la tensión en la barra de BT tenía un 
alto contenido armónico. La situación se dio en 
todos los casos de prueba realizados, incluso 
intercambiando un transformador. 
La situación no se da en la máquina 2 ni en la 
configuración de las barras 1 y 2 en paralelo y con 
un único transformador. 
 
2. ANALISIS DEL CASO 
Los registros realizados en las oportunidades de los 
eventos de fallas, muestran un alto contenido 
armónico, del tipo del de la Fig.8 en adelante. Las 
mediciones posteriores realizadas por el IITREE 
con equipos propios confirmaron las mediciones 
originales. 
2.1 Modelo Propuesto 
En primera instancia se estudiaron los circuitos y 
las mediciones efectuadas con el propósito de 
obtener un modelo representativo del sistema. 
Un diagrama en bloques del sistema bajo estudio 
se muestra en la Figura 2. 
 
Figura 2 – Diagrama en bloques del sistema. 
En este diagrama se encuentra representado el 
Transformador MT/BT, los filtros de las fuentes de 
los controladores de velocidad de los motores 
(FCVM) y la carga. Esta carga representa a los 
controladores de velocidad, los motores; etc. 
El modelo fue estudiado según su equivalente 
monofásico por cuestiones de simplicidad, siendo 
Transformador 
 
FCVM Carga 
por lo demás totalmente representativo del sistema 
real. 
El transformador se representó por medio de una 
serie compuesta por un resistor y un inductor, 
cuyos valores fueron obtenidos a partir de sus 
datos característicos y de las mediciones 
efectuadas. Esta representación incluye el aporte 
de la potencia de cortocircuito de la red pública de 
MT. 
Los FCVM fueron representados según el circuito 
relevado existente. El circuito esquemático 
equivalente del FCVM y del transformador se 
muestra en la Figura 3. 
 
 
Figura 3 – Circuito Esquemático 
 
Ya que las mediciones realizadas indicaron valores 
de corrientes armónicas típicos de un rectificador 
trifásico de 6 pulsos, se representó a la carga como 
generadores de corrientes armónicas. Las 
amplitudes de éstos generadores fueron ajustadas 
según los valores teóricos de las corrientes 
generadas por dichos rectificadores. 
Con el propósito de validar el modelo propuesto, se 
efectuó una serie de comparaciones entre 
mediciones y simulaciones En las Figuras 4 y 5 se
presentan oscilogramas y diagramas espectrales de 
registros efectuados en el punto de medición 
indicado en la Figura 2.
 
 
Figura 4 – Oscilograma de la Corriente medida. 
 
 
Figura 5 – Contenido armónico de la Corriente medida. 
De la simulación realizada se obtuvo el contenido 
armónico de la corriente, según se observa en la 
figura 6. Estos resultados se asemejan 
considerablemente a las mediciones realizadas. 
 
Figura 6 – Contenido armónico de la Corriente simulada. 
2.2  Análisis del caso de falla. 
 
Basado en  el estudio previo, se confeccionó el 
nuevo modelo para simular la configuración del 
sistema para la condición en la cual se produjo la 
falla. Esto es, un transformador alimentando a 
una sola máquina. 
El nuevo esquema en el cual se basaron las 
simulaciones se indica en la Figura 7. 
 
Figura 7 – Circuito simulado para la condición de la falla.
Este sistema está compuesto por el transformador, 
25 elementos FCVM - uno cada dos motores -, y las 
cargas perturbadoras descriptas. 
El oscilograma de la corriente en la barra y su 
contenido espectral, se muestran en las figuras 8 y 
9. 
 
Figura 8 – Oscilograma de la Corriente simulado. 
 
Figura 9 – Contenido armónico de la Corriente simulada. 
Puede observarse  que la rmónica 23 es del 
orden del 175% de la frecuencia fundamental, y 
la distorsión armónica total de corriente es del 
185%. 
Posteriormente se analizó la tensión en la barra. 
Los resultados se presentan en las Figuras 10 y 11.
 
 
Figura 10 – Oscilograma de Tensión en la barra. 
 
 
Figura 11 – Contenido armónico de Tensión en la barra. 
La fuerte distorsión que se produce en la tensión en 
la barra se debe a la resonancia entre la reactancia 
de cortocircuito del transformador y las capacidades 
de los filtros de RFI. Esta resonancia se da entre la 
21/23 armónicas. También el fenómeno se 
magnifica por las muy bajas pérdidas del circuito. 
La situación de resonancia se da 
independientemente del número de motores en 
funcionamiento ya que los filtros de RFI están 
siempre conectados (los contactores de los motores 
están ubicados a valle de los filtros). La magnitud 
del fenómeno sí depende del número de motores 
en funcionamiento y de sus estados de carga, ya 
que el contenido armónico generado por los 
rectificadores es proporcional a la potencia en 
juego. 
 
Los niveles de sobretensión que se producen en la 
barra ocasionan el cebado en régimen permanente 
de los descargadores y las consecuentes fallas por 
temperatura en no mas de 50ms. 
 
Además, los niveles son incompatibles con las 
normas de Calidad usuales, tanto en la tensión 
interna como en la corriente emitida a la red.  
 
2. MITIGACIÓN DEL FENÓMENO. SOLUCIÓN 
PROPUESTA  
Se mencionarán brevemente algunos casos 
estudiados. 
 
Filtro resonante paralelo: Una alternativa 
analizada fue insertar un filtro resonante LC a la 
frecuencia de la armónica 23, con el propósito 
mitigar esta componente en particular y observar el 
comportamiento en el resto de las frecuencias de 
interés. Se logró la atenuación buscada en la 
armónica 23. Sin embargo, también aparecieron 
magnificaciones indeseadas en otras frecuencias 
dentro del espectro de interés; sobre todo una de 
ellas es cercana a la armónica 11 que es una de las 
características en este tipo de rectificadores. 
 
Inclusión de un reactor serie cada cuatro FCVM. 
En este caso se estudia la posibilidad de colocar un 
reactor serie cada cuatro filtros (correspondiente a 
una torre). El resultado indicó una magnificación 
aún importante a la frecuencia correspondiente a la 
armónica 23, y por lo tanto la desventaja de esta 
solución es que no atenúa lo suficiente el fenómeno 
de resonancia del sistema.  
 
La solución adoptada consiste en un filtro cuyo 
propósito es el de amortiguar la magnificación 
presentada por el sistema en el entorno de dicha 
frecuencia. Este filtro se ubicará en paralelo con las 
cargas perturbadoras. Tiene una configuración 
pasabajos (PB), en la que la presencia del capacitor 
se justifica debido a la gran potencia a frecuencia 
industrial que disiparía el resistor en su ausencia. 
 
El objeto de este filtro es: 
· Reducir el contenido armónico (en los órdenes 
altos que dieron origen a las fallas) de corriente 
inyectado en la red, de forma tal que estos 
niveles se encuentren dentro de los límites 
especificados para los Usuarios Industriales 
según las normas de La Argentina [1]. 
 
· Reducir la distorsión armónica de tensión en la 
barra interna de forma tal que se encuentre 
dentro de alguno de los niveles recomendados 
para barras industriales en las normas IEC [2]. 
 
El modelo del sistema con el filtro incorporado es el 
de la Fig. 12. En las figuras 13 y 14 se observa la 
forma de onda de la corriente y su espectro. 
 
Figura 12 – Esquema circuital con Filtro incorporado. 
 
 
Figura 13 – Oscilograma de la Corriente con el Filtro. 
 
 
Figura 14 – Contenido armónico de la Corriente con el 
Filtro incorporado. 
En las figuras 15 y 16 se observan el oscilograma 
de tensión en la barra y su contenido armónico 
respectivamente. 
 
 
 
Figura 15 - Oscilograma de la Tensión con el Filtro. 
 
 
Figura 16 - Contenido armónico de la Tensión con el 
Filtro incorporado. 
Tomando como objetivo principal contener la 
distorsión de tensión en la barra interna del sistema 
se elige como solución para el problema el filtro 
de 200kVAr. 
Se hace notar que desde el punto de vista del 
dimensionamiento, y debiendo la baterí  ser 
sobredimensionada para la circulación de las 
armónicas, la potencia a instalar no alcanzará al 
factor 2 que surge de la erogación de reactivo a 
frecuencia industrial. 
Para la solución de 200kVAr, se observa una 
importante mitigación del contenido armónico 
original de corriente, fundamentalmente a partir de 
la armónica 13. 
 
· Los nuevos niveles de corrientes armónicas 
inyectadas a la red, para una Corriente de 
Demanda de 4600 A (que corresponde a la 
actual demanda de 2,5 MW y un factor de 
potencia de referencia de 0,85) y que de los
cuales sólo el 25% corresponde a corriente 
distorsionada, se encuentran dentro los niveles 
exigidos por las normas [1]. 
· Los nuevos valores de tensión en la barra mas 
distorsionada - Barra 1 con Máquina 1 - 
solamente son similares a los recomendados 
en la Norma [2] para una barra industrial Clase 
3, que corresponde a la clase con mayor 
distorsión. Este nivel se acepta dado el carácter 
de interna del establecimiento y destinada a 
servir a cargas industriales distorsionantes. 
 
Debido a los efectos que pudiera tener la batería en 
el factor de potencia de la planta, se estudió la 
posibilidad de colocar un reactor de 200kVar en 
paralelo con la batería. 
 
El contenido armónico de la corriente en la barra 
permaneció inalterado luego de colocar el reactor, 
como puede observarse en la figura 18. 
 
 
 
Figura 18 – Contenido armónico de la Corriente en la 
barra con Reactor incorporado. 
Se verificó posteriormente el efecto de la 
desconexión de la batería en la tensión de la barra 
interna. En la figura 19 se muestra un caso de los 
numerosos estudiados, variando las condiciones de 
apertura. 
 
 
 
Figura 19 – Efecto de desconexión de la batería. 
 
En la figura puede observarse que el único efecto 
de la desconexión de la batería en el sistema es 
que aumenta el contenido armónico de la tensión, 
pero no aparecen sobretensiones transitorias en la 
barra. 
 
3.  CONCLUSIONES. 
Este problema práctico de Compatibilidad 
Electromagnetica pone en evidencia la importancia 
de adaptar las Cargas Perturbadoras a sus redes 
de suministro, situación que adquiere mayor 
relevancia en aquellos mercados donde se han 
establecido normas de Calidad del Servicio 
Eléctrico. En especial aquí se trata de una 
magnificación de la emisión de armónicas por parte 
de  un rectificador convencional  debida a la 
resonancia entre la red (muy potente y de bajas 
pérdidas) con los propios filtros de mitigación, 
originales del equipamiento, pero previstos para 
otro fenómeno (RFI). 
 
Es interesante destacar la facilidad con la que los 
fenómenos pueden ser modelados - a partir de su 
validación con mediciones de campo -,explicar con 
ellos los mecanismos intervinientes y, luego, 
ensayar las alternativas de mitigación.  
 
La solución dada para mitigar la perturbación es 
simple y se aparta de las soluciones típicas (filtro 
resonante p.e.), las que demostraron no ser 
aconsejables para este caso.  
 
4. REFERENCIAS  
 
[1] IEC 1000-2-4 (1994),Compatibilidad Electromagnética: 
Niveles de compatibilidad en las plantas industriales, para 
las perturbaciones conducidas de baja frecuencia. 
 
[2] “Resolución ENRE 99/97”: Base Metodológica para el 
Control de La Emisión de Perturbaciones. 
 
[3] Programa de Simulación de Circuitos Eléctricos 
SPICE Nº de registro 109949. 
 
 
Autor Principal: 
 
Nombre: Pedro E. Issouribehere 
e-mail: pedroi@iitree.ing.unlp.edu.ar 
fax: 54 221-425-0804 int 322 
teléfono: 54 221-423 6695/6697 
Direcciones: Calle 48 y 116 La Plata  Argentina 
 


Mitigación de armónicas en instalaciones con <i>drivers</i> de motores

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/36073/Documento_completo.pdf?sequence=1

Mitigación de armónicas en instalaciones con <i>drivers</i> de motores

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