M.E.R. Sebastián Martínez Balderas ▪(Actualmente)Director General de CAPELINS ( CAPACITORES Y ELECTROSISTEMAS INDUSTRIALES S.A. De C.V. ) Ing. Mecánico electricista UAG Maestría en energías renovables UAG Miembro Concejo Directivo de ACOEO ▪Actualmente miembro colegiado del CIMEJ (Colegio de Ingenieros Mecánicos y Electricistas).
Del Problema hasta su Solución Donde empieza el problema? • Hay dos maneras de identificar en dónde comienzan los problemas de CE. 1.- Por la ubicación de la fuente
2.- Por la naturaleza de la perturbación
- Interna, usuario - Externa, CFE
- Sobre tensiones - Conexión y/o desconexión de carga - Falla del sistema - Carga no lineal
Objetivo: - Definir responsabilidades y obligaciones.
- Entender el problema para dar la solución técnica.
En la práctica, las instalaciones eléctricas presentan una serie de disturbios o perturbaciones que alteran la calidad de la tensión (energía), principalmente los siguientes: 1) Variaciones de frecuencia; 2) Variaciones de la amplitud de la tensión; 3) Sobretensiones; 4) Desbalance entre las fases; 5) Deformaciones en tensión y corriente (Armónicas).
Concepto de CE • Según el IEEE STD 1100-1992 Variaciones de frecuencia. Variaciones de amplitud. Variaciones de forma de onda. Asimetría. • Otra Clasificación Variaciones de voltaje : Regulación, variaciones lentas de voltaje, variaciones rápidas de voltaje, transitorios de voltaje. Armónicas.
CONCEPTO DE CE El concepto de compatibilidad entre la fuente y la carga no es nuevo. Desde el inicio, las compañías suministradoras tienen la obligación de entregar el voltaje y la frecuencia de alimentación con un rango de variación mínimo : CFE : Voltaje Vn, +/- 10% ; Frecuencia 60 Hz, +/-1%.
Suministro de energía eléctrica de alta calidad cuyas características de voltaje, frecuencia, ruido, distorsión y conexión a tierra están dentro de los rangos aceptables (CFE). Es la ausencia de interrupciones, sobretensiones, deformaciones producidas por armónicas y variaciones de voltaje r.m.s. en la red
PERTURBACIONES DE VOLTAJE Y FRECUENCIA
PERTURBACIONES DE VOLTAJE Y FRECUENCIA Son “fenómenos aleatorios pasajeros que tienen su origen tanto en los elementos de la red eléctrica, como en la propia instalación del usuario. La consecuencia típica de estas perturbaciones es una caída de tensión transitoria, y en ocasiones un corte más o menos prolongado en algunas zonas de la red. Las causas típicas de estas perturbaciones son los rayos, las maniobras en alta tensión, las variaciones bruscas de cargas y los cortocircuitos
f. Origen de las perturbaciones •
Sobre tensiones atmosféricas por sistemas de pararrayos deficientes.- Causan sobrevoltajes cerca del punto de impacto y pérdida de voltaje a una distancia considerable.
•
Conexión y/o Desconexión de carga. - Puede causar cambios de voltaje de larga duración inmediatamente después de la respuesta transitoria del circuito.*
•
Interrupciones.- Estos disturbios pueden ir desde la reducción momentánea de voltaje hasta la pérdida total de la energía por unos cuantos minutos, horas o días.
•
Sistemas de tierra deficientes.- Un sistema eficiente de tierra proporciona un medio seguro para drenar las corrientes a tierra. Y una referencia de fase a neutro y tierra adecuada. Por la falta de un sistema de tierra origina sobre o bajos voltajes y retornos de corrientes a las cargas.
•
Cargas no lineales.- Producen caídas de voltaje no senoidales a través de las impedancias del sistema y
generación de corrientes armónicas. También se crea un problema de ampacidad insuficiente del conductor de neutro en un sistema trifásico.
•
Bajo Factor de Potencia .- Produce caídas de voltaje que culmina con una mala regulación en los buses del sistema. Crea la necesidad en el suministrador de compensar reactivos con una severa penalización.
•
Otros disturbios.- Las descargas electrostáticas del cuerpo humano y otros objetos, puede inyectar también voltajes o corrientes indeseables en el circuito.
Definición de calidad de la energía desviaciones permisibles (perturbaciones)
NMX-J-550/4-30-ANCE: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) - PARTE 4-30: TÉCNICAS DE PRUEBA Y MEDICIÓN - MÉTODOS DE MEDICIÓN Y ESTUDIO DE CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA.
• En el REGLAMENTO DE LA LEY DEL SERVICIO PÚBLICO DE ENERGÍA ELÉCTRICA ya se considera: -
Artículo 18 - I - Variaciones en la frecuencia de suministro (± 0,8 %). Artículo 18 - II - Variaciones en la tensión de suministro (± 10 %). Artículo 64 - Factor de potencia (0,9 – 1,0). Artículo 10, 42, 44, 48, 124, 125, 158 - Calidad del servicio (suministro) (aspectos contractuales).
• Considerando que ya existe una regulación aplicable a instalaciones eléctricas (utilización) NOM-001-SEDE – INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN). - Artículo 310-4 – Alto contenido de corriente armónica de tercer orden en el neutro (calentamiento). - Artículo 210-4, 364-224 – Altas corrientes armónicas en el neutro. - Artículo 310-10 – Tomar en cuenta a las corrientes armónicas para la temperatura de operación de los conductores. - Artículo 310-15, 400-5, 520-44 – Neutro con corrientes armónicas debe considerarse como conductor activo.
Definición de calidad de la energía • Además se encuentra en desarrollo la NOM-003-SEDE – Instalaciones eléctricas (suministro) – Se pretenden establecer requisitos aplicables a calidad de la energía con los enfoques de: • Seguridad (los límites de CE evitan los posibles riesgos de incendio, daños físicos durante mantenimiento, etc). • Confiabilidad operativa de los equipos (protecciones, someter a esfuerzos adicionales a los equipos de la red, etc). • Calidad del suministro que se les proporciona a los usuarios (en la NOM-001-SEDE, posteriormente establecer los límites que deben cumplir los usuarios).
Parámetros de calidad de la energía
CALIDAD DE LA ENERGÍA Perturbaciones
Transitorios de voltaje
Bajo voltaje
Ruido
Sobrevoltaje
Colapso (notches)
Depresión (sag)
Amplificación (Swell)
Interrupción momentanea
Interrupción de larga duración
Variación de frecuencia
Corrección de factor de potencia
Normativa corrección de factor de potencia Diario Oficial de la Federación del día 10 de noviembre de 1991
Normativa corrección de factor de potencia
CONCEPTOS BASICOS
Factor de potencia • Es la relación de la potencia activa P con la potencia aparente S.
P fp = S
• Es la proporción de potencia que se transforma en trabajo útil (P) de la potencia total (S) requerida por la carga. • Bajo condiciones de voltajes y corrientes S senoidales el factor de potencia es:
fp = cos(ϕ )
φ P
Q
El ángulo φ • •
En electrotecnia, el ángulo φ nos indica si las señales de voltaje y corriente se encuentran en fase. Dependiendo del tipo de carga, el factor de potencia puede ser:
( FP = Cosφ ) •
adelantado
•
retrasado
•
igual a 1.
Compensación del factor de potencia φ2
P
φ1
Q
S2 S1
QL
QC
4. Conceptos de armónicas en cargas monofásicas y trifásicas
Conceptos generales Una instalación eléctrica ideal (suministro/utilización) debe proporcionar una tensión eléctrica con las características siguientes: 1) Amplitud constante; 2) Forma de onda sinusoidal; 3) Frecuencia constante; 4) Balance en el caso de redes trifásicas.
En la práctica, las instalaciones eléctricas presentan una serie de disturbios o perturbaciones que alteran la calidad de la tensión (energía), principalmente los siguientes: 1) Variaciones de frecuencia; 2) Variaciones de la amplitud de la tensión; 3) Sobretensiones; 4) Desbalance entre las fases; 5) Deformaciones en tensión y corriente (Armónicas).
Instalaciones Generales en BT X
MT X
X
X
Alumbrado Aire Acondicionado
X
Alimentación Normal
Servicios del edificio X
X
X
X
Alimentación de respaldo
Computadoras y telecomunicaciones X
X
X
PLC
Proceso industrial X
¿Por qué existen las armónicas? • Ahora existen muchas cargas que absorben corriente en forma no proporcional al voltaje aplicado: “ Cargas no-lineales” V
i
¿Qué produce la corriente no-lineal?
• Computadoras
• Faxes
• Copiadoras
M
• Variadores de Velocidad • Balastras electrónicas • Cualquier equipo electrónico
Forma de onda característica: – Cada tipo de carga absorbe corriente con un patrón único, el cuál produce una forma de onda característica que determina la frecuencia y las armónicas presentes: Carga monofásica típica Carga trifásica típica
f1
f3
f5
f7
f9
f1
f3
f5
f7
f9
En forma muy resumida algunos de los efectos negativos más importantes de las armónicas son los siguientes: 1.- Térmicos: • Pérdidas adicionales en conductores (efecto Joule) • Pérdidas adicionales en núcleos (máquinas y transformadores) 2.- Degradación del aislamiento en: • Cables • Capacitores 3.- Operaciones anormales y fallas de equipos • Torques pulsantes en máquinas rotatorias • Falsas operaciones en protecciones • Señales de referencia falsas • Interferencia en comunicaciones • Errores de medición • Interferencia electromagnética en equipos de control • Corrientes importantes en neutros
Efectos térmicos Cargados al 100 % Con armónicas
Transformador normal
Transformador especial para armónicas
Efectos negativos más importantes de las armónicas: 4.- Resonancias en la red • Explosión de filtros o bancos de capacitores • Destrucción de transformadores y fusibles 5.- Seguridad: • Riesgo de incendio 6.- Equipos: • Reducción de la vída útil de los equipos 7.- Penalizaciones • Impacto en el factor de potencia • Diferendo contractual entre usuario y suministrador
Afecta a diferentes tipos de instalaciones eléctricas: • • • • • • •
Red del suministrador de energía eléctrica. Plantas de manufactura (acereras, sementeras, papeleras, etc). Hospitales. Hoteles, Cines, Bancos, etc. Edificios comerciales. Escuelas. Casa habitación.
ARMONICAS: EFECTOS DAÑINOS
Capacitores y efectos de las resonancias
Límites para THD: – IEEE 519-1992 esta considerada como la norma que estandariza los niveles de Distorsión aceptables de voltaje THD en Norte América: – Máximo 5% THD en voltaje (sistemas abajo 69kV) – Máximo un 3% THD para sistemas críticos: • • • •
Equipos de Hospitales Sistemas de control de Trafico de Aire Mainframe Computers Centros de Procesamiento de Datos.
Reactores
BT, MT, AT
Reactores de línea, inversores, sintonizados, desintonizados y limitadores de corriente de arranque son las aplicaciones más comunes de los mismos.
Filtro Desintonizado Fijo de Armónicas.
BT, MT, AT
Filtra una o más armónicas en específico para cargas relativamente constantes mediante la sintonización a una frecuencia inferior a la del armónico. La compensación del FP esta presente.
Filtro de Bloqueo de Tercera Armónica
BT
Provee la máxima atenuación de la 3ª armónica ofreciendo a la vez disminución de distorsión hasta la 9ª armónica.
Filtro Sintonizado Fijo de Armónicas.
BT, MT, AT
Compensa el FP y presenta un bajo valor de impedancia para el circuito serie resonante a la frecuencia armónica facilitando el paso de la corriente armónica al filtro. Recomendado para cargas relativamente constantes.
Filtro Desintonizado Automático de Armónicas.
BT, MT, AT
Cubre las características del Filtro Desintonizado, pero para cargas variables. Conecta o desconecta según lo demande las condiciones actuales de la misma.
Filtro Sintonizado Automático de Armónicas.
BT, MT, AT
Para cargas variables en filtros sintonizados. Conecta o desconecta según lo demande las condiciones actuales de la misma.
Filtro Sintonizado o Desintonizado Automático de Armónicas Híbrido.
BT, MT, AT
Compensa el FP en todas las condiciones de carga y filtra la o las armónicas a las que se sintonice.
Filtro de Banda Ancha
BT, MT
Filtra las corrientes armónicas a todas las frecuencias, su conexión es en serie a la carga. Resultados garantizados a la norma IEEE-519.
Filtro Híbrido de Banda Ancha
BT, MT
Combinación de Filtro de Banda Ancha con Filtros Sintonizados o Bancos de Capacitores para mantener el FP deseado y el THID en todas las condiciones de carga
Filtro de Armónicas Automático Ultrarrápido
BT
Ideal para filtrar a cambios rápidos en corriente de la carga. Conmutación en cruces por cero de hasta de 10ms.
Filtro Activo de Armónicas
BT
Reconoce electrónicamente la corriente armónica y provee la cancelación de la misma eliminando al menos 95% de distorsión en corriente.
BT = Baja Tensión
MT = Media Tensión
AT = Alta Tensión
Normativa de calidad de energía
Normas de calidad de la energía CE (PQ) •
Beneficios de utilizar las Normas Mexicanas de calidad de la energía en instalaciones eléctricas (utilización).
•
Normas Mexicanas.
•
Normas Internacionales/Extranjeras.
Normas Mexicanas Esquema de normas Nacionales -NMX – voluntarias -Especificaciones
NMX -ANCE
CFE
Regulaciones -NOM’s
Especificaciones
-Extranjeras
NOM
L0000-45 Compromisos
Regulación técnica – SENER - CRE
-Internacionales
IEEE, EN IEC
IEEE 519 EN 50160 IEC 61000-X-X – Niveles de Compatibilidad, límites de emisión
Límites de armónicas En México existen normas de armónicas aplicables a: – Instalaciones eléctricas (utilización) • NMX-J-610/3-6-ANCE-2008 • NMX-J-550/2-2-ANCE-2005 • CFE L0000-45 – Equipos que se conectan en BT (electrodomésticos/industriales) • NMX-J-550/3-2-ANCE-2005 • NMX-J-550/3-4-ANCE-2005
Normatividad Mexicana de Calidad de la energía (NMX-J-610/x-x-ANCE) 2-2. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de suministro público en baja tensión. 3-2. Armónicas (<16A), equipo residencial. 3-3. Parpadeo (flicker) (<16A), equipo residencial. 3-4. Armónicas (>16A) , equipo industrial. 3-6. Armónicas (MT, AT y EAT), instalación industrial. 3-7. Parpadeo (MT, AT y EAT), instalación industrial. 3-11. Parpadeo (flicker) (>16A) , equipo industrial. 4-7. Especificaciones del medidor de armónicas. 4-13. Inmunidad de equipo contra corrientes armónicas 4-15. Especificaciones del medidor de parpadeo (flicker). 4-30. Métodos de medición de calidad de la energía, instalación industrial
Desarrollo de las NMX • Las NMX tienen como base las normas internacionales IEC (adopción de normas internacionales, conforme la Ley Federal Metrología y Normalización, LFMN) • Desviaciones nacionales (DN) para considerar condiciones nacionales • Las DN se desarrollaron bajo un proceso de consenso. • Investigación e implementación de métodos de cálculo de límites.
Normas y especificaciones aplicables a distorsión armónica Normas nacionales - NMX (voluntarias) - Especificaciones - Compromisos Normas nacionales y especificaciones
- Regulación parcial de calidad de la energía (en el reglamento LSPEE), frecuencia, tensión, FP.
NMX-J-550/2-2ANCE NMX-J-550/3-2ANCE
NMX-J-550/3-4ANCE
NMX-J-550/4-7ANCE CFE L0000-45
CFE Distribución.
Red pública de BT, 60Hz, 690 V. Equipo no profesional de usuarios conectados en la red pública de BT, 60Hz, 127/120 V. Equipo profesional de usuarios conectados en la red pública de BT, 60Hz, 220 V. Instrumento de medición, 60Hz. Desviaciones permisibles en tensión y corriente para suministro y consumo en la acometida. Procedimiento para determinar y evaluar los compromisos de calidad del suministro
Niveles de compatibilidad en BT Límites de corrientes armónicas para equipo con corriente de entrada ?16A por fase.
Límites de corrientes armónicas para equipo con corriente de entrada >16A por fase Características del medidor de armónicas. Límites en tensión y corriente de distorsión armónica tanto para el suministrador como para el usuario. Límites de distorsión armónica total de tensión ente otros.
Especificaciones Nacionales de Calidad de la energía (CFE L0000-45) • La especificación de CFE considera armónicas, parpadeo (fliker), desbalance de tensión y corriente. • En armónicas considera los mismos límites de la IEEE519 (tabla 11-1) aplicable a compañías suministradoras • Y para parpadeo (fliker) considera los requisitos de la IEC 610003-3 (mismos que en la NMX-J-550/3-3-ANCE).
NMX-J-610/3-6-ANCE Norma de aplicación nacional para armónicas en instalaciones eléctricas de suministro/utilización
Normas de PQ (EMC)
Normas Internacionales.
•IEC 61000
•IEEE
2-2. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de suministro público en baja tensión. 2-4. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia en instalaciones industriales. 3-2. Armónicas (<16A), equipo residencial. 3-4. Armónicas (>16A) , equipo industrial. 3-6. Límites de perturbación en MT/AT. 3-12. Armónicas (>16A y <75 A), equipo comercial. 4-7. Especificaciones del medidor de armónicas. 4-13. Inmunidad a corrientes armónicas 4-30. Métodos de medición de calidad de la energía Normas extranjeras. IEEE 519 - Practicas recomendadas y requisitos para controlar armónicas en sistemas eléctricos de potencia. IEEE 518 – Guía para la instalación de equipo eléctrico y para minimizar el ruido proveniente de fuentes externas en la entrada de controladores. IEEE 1531 – Guía para la aplicación y especificaciones de filtros de armónicas. IEEE 1159 – Guía para la medición de calidad de la energía. IEEE 1453 – Practicas recomendadas para la medición y límites de parpadeo (flicker) en sistemas de corriente alterna.
Normas y especificaciones aplicables a distorsión armónica (IEC Comisión de Electrotecnia Internacional) Norma IEC 61000-2-2 IEC 61000-2-4
Normas Internacionales
IEC 61000-3-2
IEC 61000-3-4
IEC 61000-3-6
IEC 61000-3-12
IEC 61000-4-7
IEC 61000-4-30
Parte del sistema Red pública de BT, 60/50Hz, 690 V. Sistema de distribución industrial y no público con tensiones nominales hasta 35 kV, 50Hz. Equipo no profesional de usuarios conectados en la red pública de BT, 50Hz, 230 V. Equipo profesional de usuarios conectados en la red pública de BT, 50Hz, 230 V. Red pública de MT, AT y EAT, 60/50Hz.
Equipo profesional de usuarios conectados en la red pública de BT, 50Hz, 230 V. Instrumento de medición, 60/50Hz. Métodos medición.
de
Aplicación Niveles de compatibilidad en BT Niveles de compatibilidad en áreas industriales
Límites de corrientes armónicas para equipo con corriente de entrada ?16A por fase.
Límites de corrientes armónicas para equipo con corriente de entrada >16A por fase Evaluación de límites en las redes de MT, AT y EAT. Límites de corrientes armónicas para equipo con corriente de entrada >16?75A por fase. Características del medición de armónicas. Métodos de medición de PQ para sistemas a 60/50Hz.
- IEEE 519 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - EN 50160 (Norma Europea) De mayor influencia.
Normas extranjera
-
Normas y especificaciones aplicables a distorsión armónica Normas extranjeras
Instalaciones suministrador energía, 60Hz.
del de
Instalaciones usuario, 60Hz
del
Características calidad de tensión, 50Hz.
de la
IEEE 519
EN50160
NMX J 550/2 2
R d úbli
d BT
Practicas recomendadas para el sistema de potencia del suministrador. Practicas recomendadas para usuario. Valores de tensión que debe proporcionar el suministrador de energía eléctrica Ni l
d
Regulación de CE en México En el REGLAMENTO DE LA LEY DEL SERVICIO PÚBLICO DE ENERGÍA ELÉCTRICA ya se considera: –Artículo 18 - II - Variaciones en la tensión de suministro (± 10 %). –Artículo 18 - I - Variaciones en la frecuencia de suministro (± 0,8 %). –Artículo 64 - Factor de potencia (0,9 – 1,0). –Artículo 10, 42, 44, 48, 124, 125, 158 - Calidad del servicio (suministro) (aspectos contractuales).
Regulación de CE en México Considerando que ya existe una regulación aplicable a instalaciones eléctricas (utilización) NOM-001-SEDE – INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN).
–Artículo 210-4, 364-224 – Altas corrientes armónicas en el neutro –Artículo 310-4 – Alto contenido de corriente armónica de tercer orden en el neutro (caltentamiento). –Artículo 310-10 – Tomar en cuenta a las corrientes armónicas para la temperatura de operación de los conductores. –Artículo 310-15, 400-5, 520-44 – Neutro con corrientes armónicas debe considerarse como conductor activo.
Regulación de CE en México Además se encuentra en desarrollo la regulación NOM-003-SEDE – Instalaciones eléctricas dedicadas al servicio público – Se pretenden establecer requisitos aplicables a calidad de la energía con los enfoques de: • Seguridad (los límites de PQ evitan los posibles riesgos de incendio, daños físicos durante mantenimiento, etc). • Confiabilidad operativa de los equipos (protecciones, someter a esfuerzos adicionales a los equipos de la red, etc). • Calidad del suministro que se les proporciona a los usuarios (en la NOM-001-SEDE, posteriormente establecer los límites que deben cumplir los usuarios).
