17_Calidad Del Suministro Eléctrico

Un Compromiso de los Empresarios de Chile

INSTITUTO NACIONAL DE CAPACITACIÓN PROFESIONAL ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SEDE COLON

Calidad del Suministro Eléctrico Prof. Claudio González Cruz

Generalidades

Los problemas de la calidad de la energía y los causados por su defecto, son consecuencia de la evolución de la electrónica y más particularmente de su integración. Con ello se incrementa la exposición del usuario a perturbaciones eléctricas y aumenta también la sensibilidad de los equipos. Es por ello, que el suministro de corriente alterna, suele ser inadecuada para alimentar sistemas informáticos, pudiéndoles causar problemas de pérdidas de datos y errores de hard disk.

Existen dos desafortunadas realidades en la era de la electrónica: las compañías eléctricas simplemente no pueden proporcionar la energía limpia y continua que exigen los sensibles equipos electrónicos, y el consumidor que es el responsable final de la seguridad y el funcionamiento adecuado de su equipo. Los problemas que se pueden ocasionar en una instalación eléctrica del interior de un edificio, bien sea industria, oficinas o domicilio particular, son los mismos que los que aparecen en las líneas de distribución o transporte, y aunque suelen ser de menor magnitud por estar más cerca del origen del problema, pueden ocasionar peores efectos. La conexión o desconexión de cargas inductivas y el entorno de zonas industriales, provoca problemas en la calidad del suministro eléctrico.

El criterio básico a tener en cuenta en una instalación informática, es la instalación de una línea de suministro único que alimente a este, desde el tablero general de la instalación. Lo anterior es con el fin de que ésta línea dedicada, esté lo más exenta posible de los problemas antes mencionados. El conductor de tierra, debe formar parte de esta línea dedicada. Al final de ésta línea y en función de la posibilidad de ejecución de la misma, los problemas descritos tendrán mayor o menor magnitud, la solución o atenuación de los mismos se puede realizar mediante diversos equipos, como son transformadores de aislamiento, estabilizadores, acondicionadores de red o UPS. INACAP COLON Página_1 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381



Calidad del Suministro Eléctrico

1.0

Prof. Claudio González Cruz

Planteamiento General del Problema

En nuestra actual civilización la electricidad es por su versatilidad de transformación, la fuerza más utilizada para cubrir las necesidades de las diversas formas de energía (calórica, mecánica, química, lumínica, etc.), y de soporte energético para el transporte y tratamiento de la información (comunicaciones conducidas y radiadas, control de procesos, informática, etc.). El mundo tecnológico que hemos creado necesita para su correcto funcionamiento de equipos y sistemas cada vez más interrelacionados, que en la mayor parte de los casos, dependen de la electricidad como fuente de alimentación. La calidad y seguridad de la alimentación eléctrica es tan importante para la eficiencia de nuestros aparatos y sistemas, como la calidad y seguridad de los mismos.

La electricidad conducida es la forma más extendida de alimentación energética en nuestro mundo tecnológico actual. Su omnipresencia se debe a que combina las propiedades siguientes:

-

Es fácil generar a partir de gran variedad de otras energías.

-

Se transporta a través de instalaciones fijas de adecuada seguridad y versatilidad.

-

Se puede convertir directamente a un variado número de formas de energía.

-

Se puede transformar con relativa facilidad y rendimiento aceptable dentro de sus diversas formas de presentación.

-

Interviene en los tres grandes grupos de usuarios de energía (domésticos, terciarios e industriales).

Sin embargo presenta el inconvenientes de calidad, debido principalmente a las cargas que alimenta. Los problemas de la calidad de la energía y los causados por su efecto, son consecuencia de la evolución de la electrónica, y más particularmente, de su integración. Con ello se incrementa la exposición del usuario a perturbaciones eléctricas y aumenta también la sensibilidad de los equipos. Es por ello, que el suministro de corriente alterna, suele ser inadecuada para alimentar sistemas informáticos, pudiéndoles causar problemas de pérdidas de datos y errores de hard disk.

La proliferación de los dispositivos de electrónica de potencia, ha influido notablemente en el aumento del nivel de problemas de calidad de suministro en las redes eléctricas.

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Si observamos una red eléctrica ideal, comprobaríamos que sus parámetros característicos serían: -

Fuente de tensión ideal (impedancia interna cero).

-

Forma de onda sinusoidal pura.

-

Valor de tensión constante en todos sus puntos.

-

Frecuencia constante.

-

Cargas lineales.

Sin embargo, toda red real dista de un perfil de servicio tal como el indicado en los puntos anteriores, por cuanto se ve afectada por múltiples perturbaciones.

1.1

Parámetros de la Calidad de la Energía

La red de distribución eléctrica de baja tensión, exhibirá en ausencia de usuarios, una onda de tensión de calidad que se vería perturbada muy ocasionalmente por fallas en las líneas y centros de transformación, maniobras, así como por descargas atmosféricas principalmente. Los usuarios someten a la red a la influencia de multitud de cargas, que aunque funcionen correctamente, pueden alterar la onda de tensión con caídas permanentes o transitorias de su valor nominal. A estas variaciones se les denominan perturbaciones de la red.

En general, podemos agrupar las perturbaciones de la red eléctrica, en dos grandes grupos: (1) transitorias y (2) permanentes. Las perturbaciones transitorias son fenómenos aleatorios pasajeros que tienen su origen en los elementos que constituyen la red (líneas, transformadores, etc.), o en la propia instalación del usuario. La consecuencia típica de estas perturbaciones es la de provocar una caída de tensión transitoria, y en ocasiones, un corte más o menos prolongado en determinadas zonas de la red.

Las perturbaciones permanentes son fenómenos de carácter estacionario. Estas perturbaciones tienen en su mayoría, origen en el funcionamiento de ciertos equipos localizados normalmente en la instalación del usuario. INACAP COLON Página_3 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381





Desde una óptica más práctica y comercial, la calidad del suministro eléctrico se considera tanto desde el punto de vista de la empresa como del cliente, bajo tres aspectos:

-

Continuidad de la tensión (interrupciones).

-

Variaciones lentas de tensión.

-

Otras perturbaciones.

La continuidad del suministro eléctrico es en efecto, la característica más importante a considerar en la alimentación de cargas críticas. Las variaciones lentas de tensión y, además, perturbaciones, pueden también ocasionar fallas en el funcionamiento según su cuantía y la sensibilidad de la carga.

1.2

Perturbaciones de Red

En las redes de suministro eléctrico pueden presentarse diversos tipos de perturbaciones, las que por su modelo de presencia y red de efectos, pueden ocasionar fallas tanto en la fuente de suministro de potencia como en la carga peticionaria.

1.2.1

Ruidos e Impulsos

Son perturbaciones de tensión que tienen lugar entre los conductores activos de alimentación (fase y neutro en sistema monofásico; fases o fase y neutro en un sistema trifásico). Si son frecuentes y de escaso valor (algunos volts o decenas de volts), se llaman ruidos. Si son esporádicos y de valor elevado (cientos de volts), se llaman impulsos, cuando su duración es inferior a 2 ms.






v

v

t

t

t < 2ms

Fig.1a - Ejemplo de ruido eléctrico

Fig.1b - Ejemplo de impulso eléctrico

Suelen producirse por la conexión y desconexión de baterías de condensadores, por el funcionamiento de hornos de arco, por los equipos convertidores y rectificadores y sobre todo, por las descargas atmosféricas cercanas a las instalaciones eléctricas. También suelen encontrarse este tipo de perturbaciones en aquellos equipos que producen arcos eléctricos, tales como colectores de escobillas.

Pueden tener consecuencias muy serias, tanto para la propia integridad física de equipos y aparatos conectados a las redes, como para la función que realizan.

1.2.2

Variaciones de Tensión

Existen dos tipos de variaciones de tensión: las lentas y las rápidas. Las primeras, son las que tienen lugar a lo largo de 10 segundos o más. Se puede producir por la variación de la carga en redes pobres (de elevada impedancia de cortocircuito). Si se sobrepasan los límites estáticos de funcionamiento de los equipos, ocasionan anomalías.






Las variaciones de tensión rápidas, son las que tienen lugar a lo largo de menos de 10 seg. Se producen a consecuencia de la conexión y desconexión de grandes cargas y de maniobras entre líneas. Su incidencia en el funcionamiento de los equipos informáticos depende de su amplitud y de su duración, permitiéndose mayor amplitud cuanto menor sea la duración y viceversa. V

V

∆V ∆V

t

t

t < 10 s t > 10 s

Fig.2a - Ejemplo de variación de tensión lenta

1.2.3

Fig.2b - Ejemplo de variación de tensión rápida

Parpadeo (flicker)

Cuando una variación rápida de la tensión se produce de forma repetitiva, ocasiona en las lámparas de iluminación un parpadeo visible y molesto. Por extensión, se llama también parpadeo a dicha perturbación de tensión que la origina.

El voltaje flicker se refiere a cambios en la envolvente de la frecuencia de alimentación (para nuestro caso 50 Hz). El voltaje de la envolvente es llamado nivel instantáneo de flicker. La caracterización del nivel instantáneo de flicker (LFI), depende del tamaño y tipo de carga que produce el desbalance. Pueden ocurrir cambios en la magnitud del voltaje que pueden aparecer periódicamente o aleatoriamente dependiendo de la fuente.






El voltaje de flicker es descrito en términos de la intensidad lumínica incandescente. Por ello, los distintos standard se basan objetivamente en la iluminación incandescente en cuanto a variaciones de magnitud y frecuencia. Sin embargo, este efecto es reducido notablemente a través de lámparas fluorescentes y dispositivos electrónicos.

El flicker se puede definir como la impresión de resplandor o color fluctuante que ocurre cuando la frecuencia de la variación observada, está entre unos pocos hertz y la frecuencia a la cual se funden las imágenes. Esta variación de la amplitud del voltaje, cuando posee una amplitud relativamente significativa y una baja frecuencia, puede llegar a provocar molestias físicas en las personas al manifestarse como un "parpadeo" en la luz incandescente, como también

V

V 2 pk

perturbaciones en algunos aparatos eléctricos sensibles. El efecto flicker V 1 pk

depende principalmente de factores fisiológicos, ambientales y subjetivos, entre los que se cuentan: la amplitud

t

de la variación de tensión, la tasa de variación,

la

frecuencia

de

fluctuación, el nivel de saturación luminosa y el tipo de iluminación. Estos factores determinan el grado de incidencia que dicho efecto tiene Fig.3 - Ejemplo de parpadeo (ficker), o modulación de la tensión

en el ser humano, y deben ser tomados en cuenta para poder cuantificarlo. Los primeros estudios mostraron una sensibilidad variable a las fluctuaciones luminosas entre 0 y 30 Hz, y además, la existencia de sensibilidades diferentes según se trate de variaciones bruscas o suaves, debido a la capacidad de adaptación de la retina.

En general las variaciones de la amplitud del voltaje se deben principalmente a fluctuaciones de la potencia reactiva en el sistema, producto de cargas con factor de potencia variable. Este fenómeno se subdivide en dos grupos, los de carácter periódico y no periódico. Algunos ejemplos de éstos son: en los primeros, hornos de arco, compresores o motores; y para el segundo, partida y parada de cargas importantes.






Las cargas más importantes generadoras de flicker son: - Hornos de arco. - Soldadoras eléctricas. - Generadores. - Partidas y paradas de grandes motores. - Accionamientos intermitentes. - Motor accionado por conversor recíproco (compresores, bombas, etc.). Debido a que el flicker posee un rango de frecuencia específico y es perceptible desde cierta magnitud relativa, son dos los parámetros importantes a considerar dentro de su medición. El tiempo que dura la perturbación también es un parámetro importante a considerar.

Diversos estudios se han realizado con el objetivo de cuantificar y definir los parámetros que intervienen y los efectos que produce esta señal en las personas expuestas a la luz incandescente.

En Francia se realizó un experimento con un grupo de personas midiendo la respuesta cerebral del sujeto frente a una fuente luminosa incandescente variable, los resultados del experimento fueron los siguientes:

-

La sensación de molestia experimentada por un observador medio, es función del cuadrado de la amplitud de la fluctuación y de la duración de esta perturbación.

-

Si la amplitud de la perturbación es constante, se experimenta la máxima molestia cuando la frecuencia de la fluctuación es prácticamente igual a 8,8 Hz. El umbral de percepción es de 0,3% de la amplitud del voltaje de alimentación.

-

Si la amplitud de la señal es superior a 0,3% y tiene una frecuencia de 8,8 Hz se obtiene una cierta sensación de molestia. Es posible obtener la misma sensación de molestia con una fluctuación de amplitud superior y de frecuencia diferente a 8,8 Hz. Es decir, es posible sustituir una fluctuación de tensión equivalente a 8,8 Hz de amplitud a8,8 = g(f) × af de modo que provoque la misma molestia.






La función g(f) se muestra en la siguiente figura:

Fig.4 – g(f) = a

8,8

/ a f para una misma sensación de molestia

Si la fluctuación es la resultante de una superposición de varias fluctuaciones sinusoidales de amplitudes y frecuencias diferentes, se ha encontrado que el flicker resultante es equivalente al que corresponde a una fluctuación de 8,8 Hz y de amplitud igual a la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las amplitudes de fluctuaciones de 8,8 Hz equivalentes a cada una de estas componentes, es decir, la superposición de varias fluctuaciones sinusoidales de amplitud ai

y

frecuencia fi, conduce a la misma sensación de molestia que una fluctuación sinusoidal de 8,8 Hz y de amplitud dada por la ecuación siguiente:

a8,8 =

n

∑a i =1

2 i

× g 2 (fi )

(Ec. 1)

Finalmente, se demostró que una fluctuación de tensión con frecuencia, amplitud y duración bien determinados, producirá la misma sensación de molestia que una fluctuación de tensión con igual frecuencia, con el doble de amplitud pero con una duración cuatro veces menor que la anterior. Según esto, habrá entonces un equivalente de la sensación de molestia bajo la igualdad:

Sensación de molestia =

τ

n

0

i =1

∫ ∑a

2 i

× g 2 (fi )

(Ec. 2)






De esto se concluye que la sensación de molestia puede ser representada por un filtro lineal, una elevación al cuadrado de la señal y una integración en el tiempo de la señal resultante. Se define entonces una cifra de mérito que representa la sensación de molestia mediante la expresión: τ

2 ⋅ dt Dosis de Flicker = ∫ a8,8

(Ec. 3)

0

El hecho que la señal de flicker sea una variación de la amplitud del voltaje de alimentación puede interpretarse bajo el concepto de señal modulada en amplitud, es decir, la señal de flicker es una moduladora o envolvente y la señal de la red corresponde a la portadora. Para extraer la envolvente se procede a rectificar la señal, luego de lo cual debe pasarse por un filtro pasa - bajos. La mayoría de los esquemas de medición del flicker están desarrollados en filtros digitales, donde obtienen la forma exacta del LFI y entregan una curva predefinida de la media de peso de variaciones de voltaje. Recientes investigaciones han implementado filtros digitales a través del análisis mediante la transformada de Fourier. Sin embargo, el uso satisfactorio de dicho procedimiento depende específicamente del número de muestras (frecuencia de muestreo), por lo que el resultado puede ser engañoso. El algoritmo de FFT asume que la variación de la entrada (tensión), consiste en un cierto número fijo de componentes de frecuencia fija. Este procedimiento es válido solamente para variaciones periódicas en el tiempo, pero no aplicables para situaciones no periódicas. Por ello, es necesario tomar altas frecuencias de muestreo.

La variación de voltaje se puede obtener mediante la ayuda de la figura 3 como indica la expresión siguiente:

∆V = V2 pk −V1 pk

(Ec. 4)






El valor efectivo de la modulación y valor medio se hallan mediante las ecuaciones siguientes:

Valor efectivo de la modulación =

V pk − V1 pk ∆v = 2 2 2 2 2 (Ec. 5)

V2 pk Valor efectivo medio de voltaje =

2

2 +

V1 pk

2 = V2 pk + V1 pk 2 2 2

El valor porcentual del flicker se puede hallar mediante la expresión:

% flic ker =

valor efectivo de la modulación × 100 valor efectivo medio (Ec. 6)

% flicker =

V2 pk - V1 pk × 100 V2 pk + V1 pk

La identificación del flicker perceptible se realiza por Range of Arc furnace operation

medio de curvas que identifican las variaciones en el valor efectivo (rms) v/s tiempo. Las curvas de

Objectionable

tolerancia del flicker se desarrollan considerando curvas de sensibilidad para luces incandescentes, de forma tal que las variaciones de voltaje

Percent voltage change Satifactory

produzcan efectos indeseables en su luminosidad (Fig.5).

N° Hrs

N° Min

N° Sec

Fluctuation rate

Las normas IEC son mucho más rigurosas en las

Fig.5 – Curva de sensibilidad de flicker

evaluaciones del flicker. La norma IEC 555 en su parte 3, Fluctuaciones de Voltaje, proporciona las curvas presentadas en las figuras siguientes, a partir de las cuales se puede determinar los niveles de flicker producidos por las fluctuaciones de voltaje tolerables por el ojo humano.






Fig.6a – Amplitud de variaciones máximas admisibles de voltaje relativo con respecto al número de variaciones por minuto

Fig.6b – Amplitud de variaciones máximas admisibles de voltaje relativas con respecto al tiempo de memoria de la variación en segundos

1.2.4

Microcortes y Cortes Largos

Los microcortes son anulaciones de la tensión de red (o reducciones por debajo del 60% del valor ideal), de poca duración. No existe por el momento un acuerdo sobre la frontera de distinción entre microcortes y cortes de larga duración. Se propone la de 20 ms, que coincide con la duración de un ciclo de la onda de 50 Hz de nuestra red. Así, pues, los microcortes no se aprecian en una lámpara por el ojo humano.






Los microcortes son causados principalmente por defectos en la red o en la propia instalación del usuario. Producen mal funcionamiento de cargas muy sensibles y normalmente errores en los equipos informáticos. Algunos computadores (sobre todo medianos y grandes), se desconectan si dura más de 3 ms.

Los cortes largos son anulaciones de la tensión de red (o reducciones por debajo del 50% del valor ideal), de más de 20 milisegundos de duración. Suelen estar provocados por averías o desconexión de las líneas de alimentación y fallas en centros de generación y de transformación.

V

V

t

Fig.7a - Ejemplo de microcortes de tensión

1.2.5

t

Fig.7b - Ejemplo de cortes largos de tensión

Variaciones de Frecuencia

Son cambios en el ritmo de oscilación o frecuencia que nominalmente, en nuestro país y en la mayor parte de Europa es de 50 Hz.

Debido la interconexión de los centros generadores, no es posible una variación apreciable y permanente de la frecuencia de la red en condiciones normales.






Lo anterior sí es posible en lugares alimentados por grupos generadores. No obstante, de forma transitoria, pueden ocasionarse cambios de frecuencia apreciables como consecuencia de cambios bruscos de grandes cargas y de fenómenos de inestabilidad transitoria. V

t

Fig.8 - Ejemplo de variación de frecuencia

1.2.6

Distorsión

Es una deformación relativamente baja y estable de la onda de tensión. La distorsión suele estar ocasionada por la conexión a la red de máquinas con núcleo magnético demasiado saturado, de convertidores estáticos (tales como rectificadores, sistemas de alimentación ininterrumpida y fuentes conmutadas, hoy día muy extendidas en equipos informativos y TV), y otras cargas no lineales.

Este fenómeno es de características permanente, afecta a la frecuencia, la amplitud, la simetría del sistema

V

eléctrico y la forma de onda, provocando aquel fenómeno denominado armónicas. t

Dada la característica del fenómeno permanente en la red, los armónicos constituyen un grave problema, no siempre adecuadamente ponderado. Es importante entonces, el conocer sus efectos nocivos y buscar

Fig.9 - Ejemplo de distorsión de tensión

adecuadas soluciones que permitan disminuir los problemas que originan.





2.0


Armónicas de Baja Potencia

Observemos la figura 10, en ella se muestra la forma de onda de una magnitud sinusoidal pura, tal como puede ser la tensión de la red. Se observa que según transcurre el tiempo (t), desde el inicio de la señal, la forma y tamaño de la onda se va repitiendo periódicamente, dicho periodo equivale a (T) segundos.

Vmax

f = 50Hz t (seg)

0

T = 20 ms

Fig.10 – Forma de onda sinusoidal pura

En nuestras redes eléctricas, el periodo (T) de la señal es de 20 (ms); esto quiere decir, que en un segundo la onda sinusoidal de repite cincuenta veces, de allí que la frecuencia de la red sea de 50 Hz. A esta frecuencia de la denomina frecuencia fundamental de la red.

Ahora bien, un armónico determinado, es una perturbación superpuesta a la onda fundamental que también es una onda sinusoidal, pero de distinta frecuencia de pulsación y con valores de amplitud menores a esta.

Todo armónico que se analice tiene la propiedad de que su periodo de pulsación es siempre menor al de la fundamental, y además, se repite un número entero de veces dentro de aquel periodo (menor periodo = mayor frecuencia). Según el número de veces que el armónico “quepa” dentro del periodo fundamental, así se denominará el armónico.






Tomando las palabras finales del párrafo anterior, por ejemplo, si el armónico se repite dos veces en el periodo fundamental, lo denominaremos segundo armónico.

f = 100Hz

Vmax

0

t (seg)

T = 10 ms Fig.11 – Forma de onda sinusoidal de un 2° armónico

En una red eléctrica pueden coexistir un número infinito de estos armónicos, todos superpuestos, dando como resultado de sus acciones una onda periódica no sinusoidal que denominamos distorsión armónica.

0

t (seg)

Fig.12 – Forma de onda no sinusoidal distorsionada por un 2° armónico

En redes industriales y terciarias, la mayor preocupación para acotarla, es determinar que armónicos se hallan presentes y cual es la amplitud de cada una de ellas. INACAP COLON Página_16 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381




2.1


Origen de los Armónicos

Existen dos tipos de fuentes que dan origen a los armónicos: las de tensión y las de corriente.

Normalmente las primeras se encuentran en el área de responsabilidad de la Compañía Eléctrica, debido a que los armónicos pueden ser producidos por los mismos generadores de potencia, que por razones constructivas o de servicio, suelen introducir en la red este tipo de perturbaciones. También en este grupo se encuentran los armónicos generados por la saturación del núcleo de transformadores. En cambio, las fuentes de corriente las encontramos en las redes de los clientes, ya sean estos de baja o alta tensión, debido al tipo de cargas que estos tienen instalados.

En las redes eléctricas de los clientes finales, podemos encontrar dos tipos de cargas: las lineales y las no lineales.

Los motores de inducción, el alumbrado incandescente y la calefacción eléctrica constituyen las denominadas cargas lineales; esto es, la impedancia de la carga es esencialmente constante e independiente de la tensión aplicada. señal de alimentación sinusoidal (tensión)

En circuitos de corriente alterna, la corriente es proporcional a la tensión y se encuentra en fase con ésta, en el caso de circuitos

señal de la carga sinusoidal (corriente)

con cargas resistivas de factor de potencia unitario.

Cuando

las

cargas

son

parcialmente inductivas o capacitivas, la

0

t (seg)

corriente está desfasada respecto a la tensión, pero siempre es proporcional a ella. Esto es, si la tensión es sinusoidal también lo será la corriente.

Fig.13 – Forma de onda sinusoidal de corriente de una carga lineal






Hace algunas décadas casi todas las cargas eran lineales, y aquellas que no lo eran, constituían una fracción insignificante de la carga total, de manera que no afectaban ni el diseño, ni la operación del sistema. Luego vino la revolución de la electrónica de potencia, y cargas como computadores y variadores de frecuencia crecieron en uso de forma casi desproporcionada. Estas cargas denominadas no lineales, por su forma de trabajo, han llegado a constituir un problema de graves consecuencias en los sistemas de distribución eléctrica.

Una carga no lineal, es aquella en que la corriente no es proporcional al valor instantáneo de la tensión de la red. Esta carga absorbe corriente en impulsos bruscos en lugar de hacerlo con suavidad, como es el caso de las cargas lineales. Dichos impulsos crean una onda de corriente distorsionada que contiene armónicos. señal de alimentación sinusoidal (tensión)

señal de la carga no sinusoidal (corriente)

0

t (seg)

Fig.14 – Forma de onda de corriente de una carga no lineal

Los armónicos se producen en donde existe un número importante de cargas no lineales, equipos que poseen normalmente una fuente de alimentación conmutada, con un circuito de entrada con condensador y diodos de características no lineal.

220 VCA

fuente de alimentación

5 VDC

carga electrónica de CC

Fig.15 – Diagrama en bloques de una fuente de alimentación conmutada (switching) INACAP COLON Página_18 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381





La fuente conmutada, convierte tensión alterna en una continua pulsante por medio del rectificador de onda completa, para cargar un condensador de gran capacidad hasta el valor máximo de la tensión de línea. Luego el equipo absorbe corriente continua del condensador para alimentar al resto del equipo.

puente rectificador

fuente de alimentación

condensador de gran capacidad

+ _

switching

Fig.16 – Componentes de una fuente conmutada

Una carga no lineal, puede representarse mediante una resistencia en paralelo, con varios generadores de corriente funcionando a frecuencias armónicas.

50 Hz

R

150 Hz

250 Hz

350 Hz

señal distorsionada Fig.17 – Circuito eléctrico equivalente de una carga no lineal

La resistencia (R), conduce corriente a la frecuencia fundamental; los generadores de corriente armónica bombean corriente a frecuencias más elevadas, todas se suman y forman la corriente distorsionada que será absorbida por la carga no lineal, y que entra al sistema de distribución eléctrica en el punto en donde la carga está conectada al sistema de alimentación.





2.2


Modelo Matemático para el Análisis Armónico

Como sabemos, en ciertos equipos electrónicos se presentan formas de onda del tipo no sinusoidal periódicas para sus señales de corriente y/o tensión (principalmente las de entrada), las cuales son difíciles de representar a través de una ecuación matemática simple. Esto lleva a utilizar la herramienta matemática denominada Series Trigonométricas de Fourier, la que tiene la característica de poder representar cualquier señal periódica como una suma de funciones sinusoidales.

2.2.1

Series Trigonométricas de Fourier

Cualquier forma de onda periódica, o sea una por la cual f(t) = f(t + T), puede expresarse con las series de Fourier siempre que cumpla las condiciones siguientes:

(1)

Si es discontinua, solamente habrá un número finito de discontinuidades en el periodo T.

(2)

Tiene un valor promedio finito en el periodo T.

(3)

Tiene un número finito de máximos positivos y negativos en el periodo T.

Cuando las condiciones anteriores, llamadas Condiciones de Dirichlet, se satisfacen, existen las series de Fourier y pueden escribirse en la forma trigonométrica: (Ec. 7)

f (t ) = 21 a0 + a1 cosωt + a2 cos2ωt + ... + an cosnωt + b1 senωt + b2 sen2ωt + ... + bn sennωt N

N

n =1

n =1

f (t ) = 21 a0 + ∑an cosnωt + ∑bn sennωt

Los coeficientes de Fourier, señalados con las letras a y b, se determinan para una forma de onda dada por la evaluación de integrales.






La integral de evaluación del coeficiente de los cosenos se obtiene multiplicando ambos miembros de la ecuación anterior (Ec.7), por cos nω t e integrando sobre un periodo completo. El periodo de la fundamental, 2π/ω, es el periodo de las series, ya que cada término en las series tiene una frecuencia que es múltiplo integral de la frecuencia fundamental. (Ec. 8) 2π

∫

0

ω

2π

f (t )cos nωt dt = ∫

ω

0

1 2

2π

a0 cos nωt dt + ∫

0

ω

2π

an cos 2 nωt dt + ∫

0

ω

bn sen nωt cos nωt dt

Las integrales definidas en el segundo miembro de la ecuación anterior (Ec. 8), son todas cero excepto la que involucra cos2 nωt, que tiene el valor (π/ω) an. Entonces:

an =

ω π

∫

2π

ω

0

f (t )cos nωt dt =

2 T 2 πnt f (t )cos dt ∫ 0 T T

(Ec. 9)

Al multiplicar la ecuación (Ec. 7), por sen nωt e integrar en forma análoga al procedimiento indicado en (Ec. 8), y aplicando que todos los miembros obtenidos son cero excepto la que involucra sen2 nωt, que tiene el valor (π/ω) bn, se obtiene la integral de evaluación del coeficiente del seno.

bn =

ω π

∫

2π

ω

0

f (t )sen nωt dt =

2 T 2 πnt f (t )sen dt ∫ T 0 T

(Ec. 10)

Una forma alterna en las integrales de evaluación con la variable x=ωt y el correspondiente periodo de 2π radianes se da:

1 π 1 bn = π an =

∫

2π

0

∫

2π

0

F (x )cos nx dx

(Ec. 11)

F (x )sen nx dx






Donde, F(x) = f(x/ω). Las integraciones se realizan de –T/2 a T/2, -π a +π, o sobre cualquier otro periodo completo que pueda simplificar el cálculo. La constante a0 se obtiene de la ecuación (Ec. 9), o la ecuación (Ec. 11), con n=0; sin embargo, ya que ½ a 0 es el valor promedio de la función, en ocasiones se determina por inspección de la forma de onda. Las series con coeficientes obtenidos de las anteriores integrales de evaluación convergen uniformemente a las funciones en todos los puntos de continuidad y convergen al valor medio en los puntos de discontinuidad. Por ejemplo, analicemos la siguiente situación, en donde se desea encontrar la serie de Fourier para la forma de onda:

10

0

2π

4π

ωt

Fig.18 – Forma de onda para el análisis de Fourier

La forma de onda de la figura 18 es periódica, del periodo 2π/ω en t ó 2π en ωt. Es continua para 0<ωt < 2π y dada en ese contexto por f(t) = (10/2π)ωt, con discontinuidades a ωt=n2π donde n=0, 1, 2, ...N. Las condiciones de Dirichlet se satisfacen. El valor promedio de la función es 5 por inspección, y así ½a 0 = 5. Para n > 0 y 5 da:

1 an = π an =

∫

2π

0

2π

10  ωt 1   10  sen nωt + 2 cos nωt   ωt cos nω t d (ωt ) = 2  2π  n n 2π  0

10 (cos n 2 π − cos 0 ) = 0 2π 2n 2






De este modo las series no contienen términos en cosenos. Luego:

10  10  ∫0  2 π ωtsen nωt d (ωt ) = 2 π 2 10 bn = (cos n 2 π − cos 0 ) = − 10 2 2 πn 2π n

bn =

1 π

2π

2π

1  ωt   − n cos nωt + n 2 sen nωt  0

Si se usan los coeficientes de los términos seno y el término promedio, la serie es:

10 10 10 sen ωt − sen 2 ω t − ..... − sen nωt π 2π nπ 10 ∞ sen nωt f (t ) = 5 − ∑ n π n =1 f (t ) = 5 −

Los términos en seno y coseno de frecuencia similar pueden combinarse en un solo término de seno o coseno con un ángulo de fase. Se obtienen así dos formas alternas de la serie trigonométrica:

f (t ) = 21 a0 + ∑ cn cos (nωt − θ n ) f (t ) = 21 a0 + ∑ cn sen (nω t + φ n ) donde: cn =

an2 + bn2 ; θ n = tg −1  bn a  y φ n = tg −1  an  n    bn 

En las expresiones anteriores, cn es la amplitud armónica, y los ángulos de fase armónica son θn ó φn.

2.2.2

Simetría de Formas de Onda

La serie obtenida en el ejemplo indicado en el punto anterior (señal diente de sierra), contiene solo términos en seno en adición a un término constante.






Otras formas de onda tendrán solo términos en coseno; algunas veces únicamente habrá armónicas impares en la serie, ya sea que las series contengan términos en seno, coseno o ambos tipos de términos. Éste es el resultado de ciertos tipos de simetría descrita por la forma de onda. Si se conoce la simetría se reducen los cálculos al determinar las series de Fourier. Por ello son importantes las siguientes definiciones: (1) Una función f(x) se dice que es par si f(x)= f(-x). La función f(x)=2+x2+x4 es un ejemplo de funciones pares ya que los valores funcionales x y –x son iguales. El coseno es una función par, pues siempre se expresa como una serie de potencia.

cos x = 1 −

x 2 x 4 x 6 x 8 x 10 + − + − + ...... 2! 4! 6! 8! 10 !

(Ec. 12)

La suma o producto de dos o más funciones pares es una función par, y con la adición de una constante, la naturaleza par de la función se mantiene.

(2) Una función f(x) se dice que es impar si f(x) = -f(-x). La función f(x)=2+x3+x5 es un ejemplo de funciones impares ya que los valores de función para x y –x son opuestos en signo. El seno es una función impar, puesto que puede expresarse como una serie de potencia.

sen x = x −

x3 x5 x7 x 9 x 11 + − + − + ...... 3! 5! 7! 9! 11 !

(Ec. 13)

La suma de dos o más funciones impares es una función impar, pero la adición de una constante, elimina la naturaleza impar de la función. El producto de dos funciones impares es una función par.






(3) Se dice que una función periódica f(x) tiene simetría de media onda si f(x) = -f(-x + T/2), donde T es el periodo.

Al establecerse el tipo de simetría de una forma de onda, se llega a las siguientes conclusiones: -

Si la forma de onda es par, todos los términos de esta serie de Fourier son términos en coseno, incluyendo una constante si la forma de onda tiene un valor promedio que no sea cero. Aquí no es necesario evaluar la integral para los coeficientes bn ya que no hay términos en seno presentes.

-

Si la forma de onda es impar, la serie contiene solo términos en seno. La onda puede ser impar sólo después de que su valor promedio sea sustraído. En tal caso su representación de Fourier simplemente contendrá la constante y una serie de términos en seno.

-

Si la forma de onda tiene una simetría de media onda, solamente están presentes en las series armónicas impares. Esta serie contendrá ambos términos en seno y coseno a menos que la función sea también par o impar. En cualquier caso, an y bn son iguales a cero para n=2, 4, 6, 8, .... para cualquier forma de onda con simetría de media onda. La simetría de media onda también puede estar presente sólo después de la sustracción del valor promedio.

2.2.3

Espectro de Línea

Una gráfica que muestra cada una de las amplitudes armónicas en la onda se llama espectro de línea. Las líneas decrecen pronto para ondas con series rápidamente convergentes. Las ondas con discontinuidades, como las ondas de dientes de sierra y cuadradas, tienen espectros con amplitudes que descienden con lentitud ya que sus series tienen armónicas muy altas.

Con frecuencia, sus armónicas de décimo orden tendrán amplitudes de valor significativo en comparación a la fundamental. En cambio, las series formadas de ondas sin discontinuidades y con una apariencia general suave convergerán rápidamente y sólo requerirán unos cuantos términos para generar la onda. INACAP COLON Página_25 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381





La convergencia será evidente del espectro lineal donde las amplitudes de las armónicas decrecen pronto, de modo que las armónicas arriba de la quinta o sexta armónica son insignificantes.

El contenido armónico y el espectro de línea de una onda son partes de la naturaleza íntima de la onda y nunca cambian, independientemente del método de análisis.

c0 =

1 2

a0

(Ec. 14)

cn = an2 + bn2 (n ≥ 1 )

Por ejemplo, en la figura siguiente se muestra la onda con diente de sierra del ejemplo dado en 4.1, y su espectro lineal.

5

10

0

2π

4π

ωt

0

1

2

3

4

5

6

n

Fig.19 – Forma de onda diente de sierra y su espectro de línea obtenida por Fourier

2.2.4

Valor Efectivo de una Señal no Sinusoidal

La definición de valor efectivo de señales alternas corresponde a un valor continuo capaz de generar en una resistencia la misma potencia que la respectiva señal sinusoidal.






Matemáticamente el valor efectivo de una señal cualquiera es igual a la siguiente expresión:

Vrms

1T = v (t )2 dt ∫ T 0

(Ec. 15)

En una señal sinusoidal el valor efectivo es igual a la amplitud de la señal dividida por raíz de dos. En el caso de señales no sinusoidales, el valor efectivo se puede evaluar empleando la definición, o bien a través de su serie de Fourier. En este caso el valor rms es igual a:

Vrms

=

∞

∑V

k =1

K

2

(Ec. 16)

En la ecuación anterior, VK es igual al valor efectivo de cada componente armónica.

2.2.5

Distorsión Armónica

El porcentaje de distorsión armónica se define para señales de tensión o corriente no sinusoidales. Corresponde al cuociente entre el valor efectivo de las componentes armónicas y el valor efectivo de la componente fundamental.

THDF =

100 × V1

∞

∑V

K =2

K

2

(Ec. 17)

En señales continuas que presentan contenido armónico, el factor de distorsión se define como la razón entre el valor efectivo de las componentes armónicas y el valor continuo.

DF =

100 × VCC

∞

∑V

K =2

K

2

(Ec. 18)






En ingles este último factor se conoce como Ripple Factor y el porcentaje de distorsión armónica recibe el nombre de Total Harmonic Distortion Factor.

2.2.6

Factor de Potencia para Señales No Sinusoidales

Al existir señales de corriente o voltaje no sinusoidales, el factor de potencia total se define como el producto del factor de potencia de desplazamiento y el factor de potencia por distorsión.

FPT = FPDE × FPDI FPDE:

(Ec. 19)

Factor de potencia de desplazamiento, que corresponde al coseno del ángulo de desfase entre las componentes fundamentales de tensión y corriente (cos ϕDE).

cos ϕ DE =

FPDI:

P S

(Ec. 20)

Factor de potencia de distorsión, que toma en consideración el flujo de potencia reactiva aportado por las componentes armónicas (cos ϕDI).

cos ϕ DI

I = 1 = I rms

2.3

P 2 +Q2

(Ec. 21)

S

Clasificación de los Armónicos

Cada armónico tiene un nombre, una frecuencia y una secuencia de giro. Nombre Frecuencia Secuencia

F 50 +

2° 100 -

3° 150 0

4° 200 +

5° 250 -

6° 300 0

7° 350 +

8° 400 -

9° 450 0






En los sistemas de distribución de corriente alterna, las formas de onda de la parte positiva y negativa de la corriente y la tensión, son casi iguales, por lo tanto, no hay ninguna componente de corriente continua. En estas condiciones, no se generan armónicos de número par. Los restantes armónicos se producen en tres secuencias según el efecto de la rotación de su fasor de corriente.

Cuanto mayor es la frecuencia, más rápida es la rotación del campo magnético. Nombre Frecuencia Secuencia

F 50 +

3° 150 0

5° 250 -

7° 350 +

9° 450 0

11° 550 -

13° 650 +

15° 750 0

17° 850 -

La rotación de los armónicos de secuencia positiva, incluida la frecuencia fundamental, es en el sentido de las agujas del reloj. Mientras que el campo magnético producido por los armónicos de secuencia negativa, giran en el sentido opuesto de las manecillas del reloj.

Los armónicos de secuencia cero denominados “triplens”, en lugar de girar, se suman linealmente en el conductor neutro de los alimentadores y subalimentadores trifásicos de cuatro hilos.

Vb

Va

Vc 120°

(+)

(0)

120° 120°

120° 120°

(-)

120°

Vc

Va Va

Vb Vc

Vb Fig.20 – Secuencias de giro de fasores

2.4

Efectos de los Armónicos

Los efectos de los armónicos se manifiestan en el sistema de distribución eléctrica que entrega servicio a las cargas monofásicas y/o trifásicas.




INSTITUTO NACIONAL DE CAPACITACIÓN PROFESIONAL ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SEDE COLON Prof. Claudio González Cruz

Las cargas monofásicas no lineales suelen consistir en equipos informáticos conectados a bases de enchufes y a cargas de alumbrado fluorescente con ballast electrónico, en oficinas y edificios comerciales, mientras que las cargas trifásicas no lineales suelen encontrarse en instalaciones industriales.

Como sabemos, los armónicos tienen un nombre, una frecuencia y una secuencia. En general podemos decir que, en los sistemas trifásicos de alimentación de cuatro hilos, los armónicos de secuencia positiva solo pueden producir recalentamiento de los conductores de fase, debido al calor impuesto en estos por los valores rms de las señales (fundamental + armónico); luego, para evitar o solucionar este problema, basta con sobredimensionar en un porcentaje dado, la sección de los conductores, y utilizar sistemas de canalización de mayor diámetro, para poder disipar de mejor forma el calor generado. Este aumento de la sección del conductor, se puede realizar a través de las tablas de factores de corrección por temperatura (8.9 y 8.9a), que aparecen en la Norma Nacional NCH 4/84. Un valor de temperatura aceptable de asumir en el ambiente de trabajo de los conductores (interior de la canalización), cuando por estos es posible que circulen corrientes con contenido armónico de secuencia positiva, es de 60°C. Otra precaución a tomar en consideración, es la posibilidad que existe de que la protección automática del circuito (interruptor termomagnético), opere por efecto del calor generado por los armónicos de secuencia positiva, luego, se recomienda que en la determinación de su capacidad nominal, se utilicen las tablas de corrección por temperatura que entregan los fabricantes, y asumir el mismo valor dado para el caso de los conductores (60°C). De cualquier forma, es importante recordar que la capacidad nominal de la protección debe ser menor a la capacidad de transporte de los conductores protegidos. Los armónicos de secuencia positiva, no producen daños en el neutro compartido del sistema trifásico de cuatro hilos, debido a que se cancelan mutuamente en el punto común, debido a que presentan un desfase entre sí de 120°.

En el caso de los motores de inducción, estos sufren daños por los armónicos de secuencia positiva, debido a que estos armónicos, giran en el mismo sentido del campo magnético inductor producido por la señal fundamental, luego producen un efecto de calentamiento dado por el delta de deslizamiento.






Los armónicos de secuencia negativa producen los mismos efectos sobre los conductores y protecciones que los de secuencia positiva, pero el efecto sobre los motores de inducción es más severo.

Los armónicos de secuencia negativa giran en la dirección contraria del campo magnético inductor, por lo tanto, producen un freno magnético en los motores, y por ende, su calentamiento y eventual falla.

Los armónicos de secuencia cero, no afectan a los motores de inducción, pero sí a los conductores de neutro compartido del sistema trifásico de cuatro hilos, debido a que estos armónicos se suman linealmente en este conductor, pudiendo producir en él, sobrecorrientes de hasta un 130% mayores en sistemas desequilibrados, que la corriente de los conductores de fase.

Como los armónicos de secuencia cero son los más comunes en instalaciones de oficinas y recintos comerciales, analizaremos en mayor detalle a estos, en los sistemas trifásicos de cuatro hilos que alimentan a cargas monofásicas no lineales, productoras principalmente del tercer armónico. Como sabemos, en un sistema trifásico equilibrado, las corrientes de las fases, en el punto estrella o neutro común, se anulan entre sí. Ahora bien, si esto lo aplicamos a una red eléctrica trifásica de cuatro hilos con carga monofásica lineal, se puede establecer lo siguiente: “en un sistema trifásico equilibrado de cuatro hilos, que alimenta a cargas monofásicas lineales, la sumatoria de las corrientes de cada neutro individual dada por las corrientes de cada fase, se anulan entre sí, en la barra de conexiones, puente común o neutro compartido”. La cancelación de las corrientes aludidas en el párrafo anterior, es debido al desfase de 120° que presentan una respecto a la otra, debido al sistema de tensiones trifásicas.






Por ejemplo, analicemos la siguiente situación teórica:

IF1 →

L1 IN1 ↓

L2 TS

IF2 → IN2 ↓

L3

← IN

IF3 → IN3 ↓

TP

Fig. 21 – Red elemental trifásica de cuatro hilos con carga monofásica lineal

Para el análisis se consideraran los siguientes supuestos:

(a)

Las cargas tienen factor de potencia unitario.

(b)

La impedancia de las cargas será de 48,5 Ω, equivalente a una potencia (en términos de la equivalencia de corriente), de aproximadamente 1kW).

(c)

Los ángulos de las tensiones monofásicas según la estrella (secundario del transformador), de la figura 21 serán: VF1 = ∠90° VF2 = ∠-30° VF3 = ∠-150°





(d)


Las corrientes de cada neutro individual serán iguales a las corrientes de las fases, en amplitud y ángulo.

Si calculamos las corrientes de cada fase según la ley de Ohm, obtendremos los siguientes valores:

IF1 = IN1 =

VF1 220∠90° = 4,54∠90° (A) = Z1 48,5∠0°

IF2 = IN2 =

VF2 220∠ − 30° = 4,54∠ − 30° (A) = 48,5∠0° Z2

IF3 = IN3 =

VF3 220∠ − 150° = = 4,54∠ − 150° (A) Z3 48,5∠0°

Luego, la corriente del neutro compartido (IN), será igual a la suma fasorial de las corrientes de cada neutro individual, por lo tanto: →

IN =

3

→

∑I i=1

Ni

→

→

→

= IN1 + IN2 + IN3 = 4,54∠90° + 4,54∠ − 30° + 4,54∠ − 150°

→

I N = (0 + j4,54 ) + (3,93 − j2,27 ) + (− 3,93 − j2,27 ) = (0 + j0 )

→

I N = 0∠0°(A)

Según el resultado anterior, podemos concluir que el postulado indicado anteriormente se cumple efectivamente.

“En un sistema trifásico equilibrado de cuatro hilos, que alimenta a cargas monofásicas lineales, la sumatoria de las corrientes de cada neutro individual dada por las corrientes de cada fase, se anulan entre sí, en la barra de conexiones, puente común o neutro compartido”.

Tal como se indico anteriormente, los armónicos de secuencia cero, se suman linealmente en el conductor de neutro compartido, lo que significa que solo las porciones a frecuencia fundamental de las corrientes de fase se anulan entre sí en dicho punto.






Por ejemplo, analicemos la siguiente situación teórica:

IF1 →

L1 IN1 ↓

L2 TS

IF2 → IN2 ↓

L3

← IN

IF3 → IN3 ↓

TP

Fig. 22 – Red elemental trifásica de cuatro hilos con carga monofásica no lineal

Para el análisis se consideraran los siguientes supuestos: (a)

Las cargas tienen factor de potencia unitario.

(b)

La impedancia de las cargas será de 48,5 Ω, equivalente a una potencia (en términos de la equivalencia de corriente), de aproximadamente 1kW).

(c)

Los ángulos de las tensiones monofásicas según la estrella (secundario del transformador), de la figura 22 serán: VF1 = ∠90° VF2 = ∠-30° VF3 = ∠-150° INACAP COLON Página_34 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381




(d)


Las corrientes de cada neutro individual serán iguales a las corrientes de las fases, en amplitud y ángulo.

(e)

Las corrientes de cada fase están contaminadas en un 25%, por corrientes de tercer armónico.

Si calculamos las corrientes de cada fase según la ley de Ohm, obtendremos los siguientes valores:

IF1 = IN1 =

VF1 220∠90° = 4,54∠90° (A) = Z1 48,5∠0°

IF2 = IN2 =

VF2 220∠ − 30° = = 4,54∠ − 30° (A) Z2 48,5∠0°

IF3 = IN3 =

VF3 220∠ − 150° = = 4,54∠ − 150° (A) Z3 48,5∠0°

Según la condición indicada en el punto (e), solo un 75% de las corrientes calculadas anteriormente corresponden a la frecuencia fundamental (primer armónico), y por lo tanto, el restante 25% corresponde a corrientes armónicas de 150 Hz (tercer armónico).

Por lo expuesto anteriormente, los valores de corriente (en los neutros individuales), separados en fundamental (I1°N) y tercer armónico (I3°N), serían los siguientes:

I 1°N 1 = 0 ,75 × I N 1 = 0 ,75 × 4 ,54 = 3 ,41 ∠90° (A )

I 1°N 2 = 0 ,75 × I N 2 = 0 ,75 × 4 ,54 = 3 ,41 ∠ − 30° (A )

I 1°N 3 = 0 ,75 × I N 3 = 0 ,75 × 4 ,54 = 3 ,41 ∠ − 150° (A )

I 3°N 1 = 0 ,35 × I N 1 = 0 ,25 × 4 ,54 = 1 ,14 (A )

I 3°N 2 = 0 ,35 × I N 2 = 0 ,25 × 4 ,54 = 1 ,14 (A ) I 3°N 3 = 0 ,35 × I N 3 = 0 ,25 × 4 ,54 = 1 ,14 (A )






Luego, la corriente del neutro compartido (IN), será igual a la suma fasorial de las corrientes de primer armónico de cada neutro individual, más, la sumatoria lineal de las corrientes de tercer armónico de cada neutro individual; por lo tanto: →

I N = I 1°N + I 3°N →

I 1°N =

3

∑I i =1

→ 1°Ni

→

→

→

= I 1°N 1 + I 1°N 2 + I 1°N 3 = 3 ,41 ∠90° + 3 ,41 ∠ − 30° + 3 ,41 ∠ − 150°

→

I 1°N = (0 + j 3 ,41 ) + (2 ,95 − j 1 ,705 ) + (− 2 ,95 − j 1 ,705 ) = (0 + j 0 ) →

I 1°N = 0 ∠0°(A ) I 3°N =

3

∑I i =1

3°Ni

= I 3°N 1 + I 3°N 2 + I 3°N 3 = 1 ,14 + 1 ,14 + 1 ,14 = 3 ,42 (A )

I N = (0 + j 0 ) + 3 ,42 = 3 ,42 (A ) Según el resultado anterior, podemos concluir que el postulado para este caso sería el siguiente: “En un sistema trifásico equilibrado de cuatro hilos, que alimenta a cargas monofásicas no lineales, la sumatoria de los porcentajes de las corrientes a frecuencia fundamental de cada neutro individual dada por las corrientes de cada fase, se anulan entre sí, en la barra de conexiones, puente común o neutro compartido, mientras que los porcentajes de corriente a frecuencia armónica de secuencia cero, se suman linealmente en él”.

El problema anterior se torna muy peligroso, debido a que en nuestro medio, se tiende a subdimensionar la sección del conductor neutro del alimentador o subalimentador trifásico de cuatro hilos (normalmente representa un 50% de la sección de los conductores de fase), y peor aún, no se tiene la cultura de utilizar interruptores automáticos tetrapolares con protección de neutro.

Una corriente excesiva en el conductor neutro produce también, caídas de tensión superior a lo normal (entre 0,1 y 1 volts), entre neutro y tierra en las bases de enchufe.






Lamentablemente en nuestro medio existe todavía la creencia que el voltaje entre neutro y tierra en las bases de enchufe de las redes eléctricas que alimentan a computadores, es debida al mal dimensionamiento de la puesta a tierra de protección, y por lo tanto, cuando aparecen tensiones por sobre 1 (V), se hacen gastos elevados en ella, agrandándola en tamaño, sobrerellenando el terreno en donde se encuentra instalada con aditivos químicos, o utilizando otros medios para reducir su valor de resistencia. Pues bien, ya que el voltaje aludido se presenta por sobrecorriente en el neutro compartido del sistema trifásico, bastará solo con agrandar su sección y con esto se logra reducir dicha tensión. En edificios de gran potencia instalada, se utilizan normalmente transformadores de alimentación particulares, los que tienen la configuración delta–estrella aterrizado. Cuando las corrientes armónicas triplens lleguen al secundario del transformador conectado en estrella a través del neutro, estos se reflejarán en el primario conectado en delta, circulando estas por el mismo (primario), y provocando sobrecalentamientos y averías en el transformador.

Los generadores o grupos electrógenos, están sujetos al mismo tipo de problemas de sobrecalentamiento que los transformadores, pero que debido a que se utilizan como fuentes de alimentación de emergencia para cargas productoras de armónicos, a menudo son incluso más vulnerables.

Además de sobrecalentamiento, algunos tipos de armónicos provocan distorsión en los cruces por cero de la onda de corriente, lo que origina perturbación e inestabilidad de los circuitos de control del generador.

2.5

Detección de la Presencia de Armónicos

Los armónicos son más fáciles de detectar, si se dispone de los instrumentos adecuados, como por ejemplo, un multímetro de verdadero valor rms o también llamado true rms, el que deberá ser capaz de realizar una lectura de valor máximo instantáneo en un milisegundo (1 ms), para poder capturar el valor máximo del semiperiodo de la onda de corriente. También deberá tener un factor de cresta igual a tres como mínimo y deberá poder medir también la frecuencia de la corriente.






El término true rms, está directamente relacionado con el valor que los armónicos producen en los componentes del sistema de distribución eléctrica.

Si una forma de onda distorsionada y otra sinusoidal pura producen igual cantidad de calor en una carga resistiva, se dice que ambas formas de onda tienen el mismo valor eficaz.

No todos los instrumentos del mercado proporcionan lecturas correctas de las ondas distorsionadas. La mayoría de los instrumentos portátiles de bajo costo están calibrados en valor eficaz, pero proporcionan lecturas

de

proporcionan

valor

medio.

lecturas

Esto

correctas

significa de

que ondas

sinusoidales puras, y que para ondas distorsionadas, presentan lecturas inferiores a la correcta. En cambio, los instrumentos provistos de convertidores de valor eficaz (true rms), proporcionan lecturas correctas de cualquier forma de onda, comprendida dentro de los límites del factor de cresta y ancho de banda del instrumento. Fig.23 – Instrumentos FLUKE true rms

Señal sinusoidal

Señal cuadrada

Señal distorsionada

Tradicional

lectura correcta

lectura 10% mayor a la correcta

lectura 40% menor a la correcta

True rms

lectura correcta

lectura correcta

lectura correcta

Tipo de Instrumento

El factor de cresta de un instrumento de valor eficaz indica el valor máximo de la señal que puede medir sin errores.






El factor de cresta de una onda es la relación entre el valor máximo y el valor eficaz. En una onda sinusoidal pura, el factor de cresta tiene un valor de 1,414.

FC =

Valor máximo Valor eficaz

=

Vmax Vrms

(Ec. 22)

Un instrumento de buena calidad, es aquel que tiene un factor de cresta nominal, igual a tres como mínimo, a la máxima lectura de la escala. Este valor es más que suficiente en la medición de corrientes, en la mayoría de los sistemas de distribución eléctrica. Una vez de haberse asegurado que el instrumento que se tiene, es un true rms, los pasos a seguir para detectar la presencia de armónicos es la siguiente:

2.5.1

Inventario de Cargas

Se trata de realizar un levantamiento de cargas y distinguir la clase de éstas, presente en el sistema eléctrico. Si el sistema contiene muchos computadores e impresoras, motores de velocidad regulable, controles electrónicos de calefacción y ciertos tipos de alumbrado fluorescente, es muy probable que exista la presencia de armónicos.

2.5.2

Comprobación del Calentamiento de los Transformadores

Localizar los transformadores que alimentan cargas del tipo no lineales y observar en ellos si se calientan demasiado. Comprobar también que las aberturas de ventilación estén despejadas.





2.5.3


Corriente del Secundario de los Transformadores

Comprobar la corriente del secundario del transformador mediante el uso de un multímetro con lectura de valor eficaz.

Comprobar que la capacidad de tensión (calibre), del equipo de medida (multímetro), sea adecuada para el transformador que se va a medir.

Medir la corriente del secundario del o los transformadores en cada fase y en el neutro. Comparar el valor de la corriente medida en el neutro, con el valor previsto en función del desequilibrio entre fases. Si la corriente del neutro es más alta de lo previsto, es probable que existan armónicos triplens y se tenga que reducir la potencia del transformador.

Medir la frecuencia de la corriente del neutro. Una lectura de 150 Hz sería el valor típico de una corriente de neutro compuesta en su mayor parte de terceros armónicos.

2.5.4

Comprobación de la Corriente de Neutro de los Tableros de Distribución

Comprobar los tableros de distribución que alimentan a cargas armónicas. Medir la corriente del neutro de cada circuito y comparar el valor obtenido con la capacidad nominal correspondiente a la sección del conductor utilizado. Comprobar si existen signos de calentamiento o cambios de color en la barra de distribución neutra y en las conexiones de alimentación.

2.5.5

Comprobación de la Tensión entre Neutro y Tierra en las Bases de Enchufes

En ocasiones es posible detectar la sobrecarga del neutro de los circuitos que van a las bases de enchufe, midiendo la tensión entre el neutro y la tierra en éstas últimas.






Para ser normal la lectura, ésta debería ser igual o inferior a 1 volts. Una tensión más alta significaría que puede haber problemas, dependiendo de la longitud del tendido, la calidad de las conexiones, etc.

Medir la frecuencia. Una lectura de 150 Hz indicaría una fuerte presencia de armónicos. Un valor de 50 Hz implicaría desequilibrio entre fases.

2.6

Recomendaciones para Reducir los Efectos de los Armónicos

Para el caso de instalaciones que cuenten con un transformador particular, una de las formas de reducir la sobrecarga en este, debido a la presencia de armónicos en la señal eléctrica, consiste en limitar su carga o desclasificarlo.

El método de desclasificación dado por la IEEE “Recommended Practice for Establishing Transformer Capability when Supplying Non Sinusoidal Load Currents”, es el más riguroso, y sirve para cargas trifásicas como monofásicas. Para su uso, se requieren los datos de fabrica del transformador y los del analizador de armónicos. Para el caso especial de transformadores trifásicos particulares, que alimentan a cargas monofásicas no lineales, existe un método alternativo, establecido por la Asociación de Fabricantes de Ordenadores y Equipos de Oficina (CEBMA España). Este método de desclasificación, solo debe utilizarse para el caso de cargas monofásicas.

Se deben medir los valores de corriente máxima y eficaz de cada conductor de fase en el secundario del transformador. En el caso de que las fases no estén equilibradas, se deberá calcular el promedio de los valores obtenidos (IP).

I L1 rms + I L2 rms + I L3 rms 3 I + I L2 max + I L3 max = L1 max 3

I P rms = I P max

(Ec. 23)






Con los datos ya establecidos, se determina factor de desclasificación del transformador (THDF), por medio de la siguiente expresión:

THDF =

1 ,414 × I P rms I P max

(Ec. 24)

Esta formula da como resultado un factor de desclasificación comprendido entre 0 y 1. Un valor igual a uno, indica que no hay armónicos presente, por lo que no se requiere ninguna desclasificación.

A medida que aumenta el valor máximo de la corriente de fase, disminuye el factor de desclasificación, lo que significa que es necesario disminuir la capacidad del transformador.

La desclasificación del transformador para una carga armónica, es el producto entre el valor nominal de la máquina en kVA, por el factor de desclasificación (THDF), para supresión de armónicos.

Lo anterior, expresado en una ecuación, adopta la siguiente estructura:

S2 kVA = THDF × S1 kVA S2kVA

(Ec. 25)

: Potencia del transformador desclasificado (kVA)

THDF : Factor de desclasificación (°/1) S1kVA

: Potencia nominal del transformador (kVA)

En el caso de las redes interiores, las recomendaciones generales para poder reducir el efecto de las armónicas son las siguientes: -

Reducir el número de bases de enchufe de computación por circuito, a no más de ocho equipos (CPU + Monitor).

-

Aumentar la sección del neutro compartido y barra de conexión de neutro, al doble de la sección nominal de los conductores de fase y barras de fase respectivamente.





-


Aumentar el diámetro de los ductos de la canalización de los circuitos de alimentación de enchufes de computación, como los ductos del alimentador de computación, en al menos un 50% del diámetro normal requerido. En el caso de utilizar bandejas portaconductores, la sección a ocupar no deberá exceder del 20% de la sección transversal. Todo esto es con la intención de permitir una mejor disipación del calor.

-

Utilizar alimentadores y subalimentadores totalmente dedicados para las redes eléctricas que alimentan a cargas computacionales.

3.0

La Instalación Eléctrica Interior y la Línea Informática

En todas las instalaciones interiores ya sea en alta o baja tensión, según lo dispuesto por la Norma NCH 4/84, el conductor de neutro se conecta a tierra en el punto más cercano al empalme, por medio de alguna configuración de electrodos de puesta a tierra. A esta conexión se le denomina puesta a tierra de servicio. Cuando las carcazas de los equipos eléctricos integrantes de la instalación están interconectadas entre sí, y a la ves conectadas a tierra, a esta se le llama tierra de protección. El concepto de tierra de protección es uno de los más importantes y menos entendido por los responsables de diseñar las instalaciones eléctricas, al igual que por los jefes de sistemas, técnicos e instaladores de computadores, constituyéndose en el capítulo más violado de la reglamentación eléctrica nacional. La finalidad primordial de la tierra de protección, es garantizar la integridad de las personas que estén en contacto directo con equipos eléctricos o con sus gabinetes metálicos, limitando su tensión en caso de una descarga eléctrica por pérdida de aislación o contacto directo, y garantizando el disparo inmediato de los protectores diferenciales. Además, en el caso de los computadores, la tierra debe servirles de referencia común para los circuitos digitales y las comunicaciones electrónicas.






En nuestro país, existe la costumbre de proyectar e instalar puestas a tierra de protección independientes para los sistemas de computación, por que supuestamente “es lo que las normas exigen”. Si recordamos que el esquema de neutro que tradicionalmente se utiliza en Chile es el denominado neutralización, al respecto la norma NCH 4/84 en su capítulo 9 indica lo siguiente: 9.2.7.5.- Neutralización.- Este sistema consiste en unir las masas de la instalación al conductor neutro, de forma tal que las fallas francas de aislación se transformen en un cortocircuito fase neutro, provocando la operación de los aparatos de protección de circuito. Ver hoja de norma Nº13. En este sistema deben cumplirse las siguientes condiciones: -

La red de distribución deberá cumplir lo establecido en 10.1.6.

-

Los dispositivos de protección deberán ser disyuntores o fusibles.

-

La corriente de falla en el punto asegurará una operación de las protecciones en un tiempo no superior 5 segundos.

-

Todas las carcazas de los equipos deberán estar unidas a un conductor de protección, el que estará unido al neutro de la instalación.

Tal como lo indica el párrafo anterior (señalado con negrilla), es falso aquella indicación dada respecto a la puesta a tierra de computación. Es más, desde el punto de vista técnico esta costumbre (puesta a tierra independiente), no protege contra cortocircuitos monofásicos a tierra, y en caso de presentarse un rayo en el transformador público, se producen arcos de corriente entre el neutro y la tierra que pueden quemar el computador aunque se encuentre apagado o tenga regulador de voltaje, UPS o supresor de transcientes.

3.1

Requisitos Especiales para los Computadores

Utilizar una línea de tierra aislada (no confundir con una puesta a tierra independiente), que no sea compartida por otros equipos ni toque los conductos, las cajas, ni los gabinetes metálicos de la instalación eléctrica para evitar el "ruido eléctrico" inducido por cortos o fallas en otros circuitos.






Verificar que el voltaje entre el neutro y la tierra en el tomacorriente del computador permanezca por debajo de un volts para garantizar la seguridad de las comunicaciones electrónicas entre los distintos componentes de computador (y entre éste y los demás computadores interconectados en red). Para lograr una línea de tierra aislada se debe instalar un cable dedicado (entiéndase un alimentador completo en términos de fases, neutro y tierra), y preferiblemente sin empalmes, desde la "barra principal de conexiones" del tablero general hasta las tomas de los computadores (pasando obviamente por el tablero de distribución exclusivo para computación). Con la configuración de tierra de servicio y protección unidas (neutralización), el voltaje que se presenta entre ellos no es más que la caída de tensión en el cable del neutro entre dicha unión y el tomacorriente, y es proporcional a la corriente que circula a través del cable y a su resistencia eléctrica (Voltaje = Corriente x Resistencia). Obsérvese que la línea de tierra aislada conserva cero voltios en toda su extensión ya que, en condiciones normales, no circula una corriente importante a través de ella. Por lo tanto, las únicas formas de reducir el voltaje entre neutro y tierra, permitidas son: Aumentar la sección del conductor de neutro compartido, con esto se reduce la resistencia de este, logrando disminuir su potencial respecto a tierra. Reducir la longitud de los cables de alimentación y por lo tanto su resistencia, instalando un transformador de aislamiento lo más cerca posible a los computadores.

Del panorama anterior se desprende que la solución más fácil, práctica y económica para satisfacer las recomendaciones de los fabricantes de computadores, es crear un nuevo sistema eléctrico "derivado separadamente" por medio de un transformador de aislamiento.

Un transformador de aislación está equipado con pantalla electrostática o bobinado mediante carrete separador, permite obtener una atenuación importante de ruidos y parásitos. La atenuación de éstos depende de la concepción y calidad del mismo. No soluciona variaciones de tensión, cortes ni microcortes, ni tampoco ruidos de línea de tierra, dado que éste conductor no se puede interrumpir. Su utilidad estriba únicamente en la atenuación de ruidos en modo común. Un transformador de aislación, completa las soluciones ofrecidas por una línea dedicada, pero no la sustituye.






Para mejorar la calidad del suministro eléctrico en la red dedicada de alimentación para computadores, se deberán utilizar acondicionadores de red.

Es casi imposible encontrar en el mercado un transformador de aislamiento de propósito general, pues existen muchas variables técnicas y un sinfín de accesorios que dependen de la aplicación específica que se les quiera dar. Sin embargo, existen equipos que incorporan el transformador de aislamiento y se conocen con el nombre de acondicionadores de red.

Antes de adquirir un acondicionador de voltaje debe verificar que se trate de una marca reconocida y que posea realmente el transformador de aislamiento (debe marcar "corto" entre la tierra y el neutro de salida y "circuito abierto" entre éstos y el neutro de entrada). Algunas marcas, incluso extranjeras, ofrecen simples reguladores con supresores de transcientes como "acondicionador de voltaje" o "line conditioner / stabilizer". La función principal de un acondicionador de voltaje es corregir una mala instalación eléctrica, simulando una nueva subestación que proporciona las tres líneas de alimentación que requiere su computador (fase, neutro y tierra), y eliminando por completo el voltaje entre el neutro y la tierra (causa principal de los daños en los computadores). Un buen acondicionador también está en capacidad de regular el voltaje entre el vivo y el neutro, tal como lo hacen los reguladores.

La gran ventaja de los acondicionadores de voltaje es que aunque se conecten con la polaridad invertida o no tengan una buena instalación de tierra, los equipos conectados a ellos "sienten" una instalación ideal. La única forma segura de utilizar un supresor de transcientes, un regulador o un UPS es teniendo una instalación eléctrica adecuada o conectándolos a la salida de un acondicionador con transformador de aislamiento.

Aunque casi todos los equipos electrónicos modernos trabajan entre 212 y 242 VAC (volts de corriente alterna) a 50 ó 60 Hertz (ciclos por segundo), no todos consumen la misma potencia (watts o voltsamperes). Para calcular la potencia total en volts-amperes (VA) de los computadores y sus accesorios, sume todos los "consumos de placa" (localizada generalmente por detrás o por debajo), de los equipos. Si el consumo aparece en watts (W) divídalo por 0,67 (factor de potencia típico de los computadores), y si aparece en amperes (A) multiplíquelo por 220 (V) o por el voltaje nominal que aparezca en la placa. INACAP COLON Página_46 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381





Es posible que el cálculo anterior le sugiera adquirir un acondicionador mayor del que realmente necesita, ya que en muchos equipos la corriente de placa sólo se presenta al encenderlos (cuando están fríos), y puede ser hasta 20 veces mayor que en estado estable. Por lo tanto, si tiene la precaución de encender cada componente por separado, podrá conectar fácilmente dos, tres o más computadores personales (dependiendo de su configuración), a un buen acondicionador de 1 KVA (1000 VA), o entre cinco y diez a uno de 2 KVA. La impresoras modernas de inyección de tinta consumen menos de 50 VA, pero las láser suelen consumir alrededor de 1 KVA.

En resumen, un adecuado sistema eléctrico para una red de computación deberá tener los siguientes componentes:

(a) Una línea de alimentación dedicada. (b) Una acondicionador de red. (c) Un transformador de aislación. (d) Un supresor de transcientes. (e) Una fuente autónoma de alimentación en caso de corte de suministro. El último punto (c), no se refiere a un grupo generador de apoyo de energía, si no a los equipos denominados UPS. Aunque exista un grupo generador en la instalación, este se tarda unos pocos segundos (asumiendo que cuentan con transferencia automática), en poder suministrar energía a la instalación en el caso de faltar el suministro de la compañía, luego se presentarán microcortes de tensión que evidentemente provocarían la detención y perdida de información en los computadores (servidores y computadores finales).

3.2

Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (UPS)

Las UPS son equipos electrónicos especiales que mediante un sistema de baterías, cargador de baterías y ondulador, pueden seguir suministrando corriente alterna de alta calidad después de haber ocurrido un apagón sin que lo detecten los equipos conectados a ellos.






La autonomía o tiempo durante el cual puede una UPS seguir suministrando energía eléctrica, generalmente es del orden de 5 a 10 minutos a plena carga o 15 a 30 minutos a media carga. Sin embargo, depende de la capacidad de las baterías utilizadas (recargables y libres de mantenimiento en casi todos los nuevos modelos), y de la potencia requerida por los equipos conectados.

En la actualidad existen muchos diseños diferentes o topologías de UPS. Los nombres de los modelos pueden variar dependiendo de los fabricantes. A continuación se indican las topologías más comunes presentes en nuestro país.

3.2.1

Topología ON-LINE

La red alimenta al cargador de baterías y al ondulador. De este modo nos encontramos con las baterías en paralelo con el ondulador, por lo tanto, cualquier corte o microcorte queda suplido por las baterías. Se garantiza el aislamiento de la red, por medio del transformador separador existente en el cargador de baterías. La tensión de salida la proporciona siempre el ondulador, por tanto, se garantiza la estabilización de salida, la estabilidad en frecuencia y la ausencia de perturbaciones. No existe transferencia Red-UPS ni UPS-Red, puesto que es el ondulador, quien está permanente trabajando y suministrando energía a la salida.






Existe también la posibilidad de BYPASS, el cual debe garantizar, por redundancia, el suministro a la salida en caso de falla en la red. La presencia ó incorporación del Bypass no debe ir en detrimento del poder de sobrecarga del ondulador, puesto que no debe ser usual, la intervención del mismo, en las sobrecargas de conexión de los equipos informáticos, ya que en caso de ausencia de Red, no se podría conectar la carga, pese a tener las baterías en condiciones.

Como puede observarse en la figura anterior, el conmutador de la salida esta normalmente en la posición "O", por lo tanto, el ondulador alimenta la carga y el control del Bypass supervisa esta alimentación. En caso de producirse alguna anomalía el conmutador cambia a la posición "R", será por lo tanto, la Red quien alimentará a la carga en estas circunstancias. Cuando el control del Bypass observe restaurado el funcionamiento del ondulador, ó haya desaparecido la anomalía que ha provocado la intervención, devolverá la alimentación al ondulador.

Es importante observar que dado que el Bypass se comporta como sistema redundante de seguridad, en la intervención del mismo no debe perderse el aislamiento, característica fundamental que debe aportar un UPS ON-LINE, por lo tanto, el Bypass deberá incorporar transformador de aislación, para garantizar ésta característica durante su intervención.






La característica señalada en el párrafo anterior es fácilmente olvidada por algunos equipos, que consiguen reducidas dimensiones al incorporar técnicas de alta frecuencia. Esta tecnología, la primera históricamente en ser utilizada, es la que aporta mayor grado de protección en su salida, ya que ésta, es totalmente independiente de la entrada.

Las condiciones de trabajo extremas desde un punto de vista de red eléctrica, es decir, referentes a la entrada, dependen de la concepción del cargador de baterías a los que actualmente ya se dota de corrector de factor de potencia, con lo cual, se consume corriente senoidal a la entrada, a la vez que se consigue bajar los niveles de tensión de red a los que todavía se carga la batería. El ondulador, construido generalmente con tecnología PWM y semiconductores MOSFET o IGBT, aporta las características de salida. En cualquier caso, ésta topología la más segura y de mayor grado de protección, es cara y voluminosa, lo cual da paso a las siguientes topologías, cuya evolución tiende siempre a imitar las prestaciones de una configuración ON-LINE.

3.2.2

Topología OFF-LINE

Parte del criterio de reducir costos, por ello la base es proteger sólo en caso de necesidad, de tal forma que la red alimenta a la carga normalmente y tan sólo interviene el ondulador en caso de fallo de red ó red excesivamente baja o alta, mediante la acción del conmutador C.






Podríamos decir, que la red está controlada dentro de un intervalo de tensión máxima y mínima, y por lo tanto, la carga que estamos alimentando deberá soportar los límites de tensión a los que interviene el equipo. Normalmente no se produce un aislamiento entrada-salida y existe un inevitable tiempo de transferencia Red-UPS-Red. Dicho tiempo puede llegar a ser muy corto (1ms), sin embargo, durante este tiempo son los condensadores de filtro de la carga quienes mantienen la energía.

Como podrá observarse, existen los mismos bloques que en una configuración ON-LINE, cargador de baterías, baterías y ondulador, sin embargo, se le añade un bloque más que es el supervisor de red, elemento que permite detectar una posible falla de ésta y conmutar "C", para que sea el ondulador, quien pase a alimentar la salida. Bajo este criterio, el ondulador sólo trabajará el tiempo de descarga de la batería, apurándose hasta el límite las características de los semiconductores de potencia. A su a vez, la batería es cargada de forma lenta por el cargador, cuando existen condiciones correctas de red.

Queda a criterio del fabricante, la elección de los límites de dimensionado y temperatura de trabajo de los distintos componentes, para conseguir un equipo con una determinada fiabilidad-costo. Siendo la topología OFF-LINE, las más económica y en muchos casos suficiente, dista de ser la más adecuada para realizar una protección total, parámetros como aislamiento, tiempo de transferencia y límites de protección por red alta-baja, son normalmente subyugados a criterios económicos. El límite normalmente más conflictivo es el punto de intervención, donde el ondulador empieza a trabajar y por lo tanto, a utilizar batería, puesto que el equipo detecta la tensión de red baja. La UPS OFF-LINE, es útil prácticamente sólo en lugares donde la red es estable y la protección a realizar es frente a cortes momentáneos de suministro.

3.2.3

Variantes OFF-LINE

Tal y como se ha comentado anteriormente, pese a que la topología OFF-LINE es mucho más económica que la ON-LINE, sus prestaciones y características distan de ser las necesarias para realizar una efectiva protección de sistemas informáticos o críticos, sobre todo en lugares problemáticos desde un punto de vista de suministro eléctrico.






Es debido a las condiciones dadas en el párrafo anterior, que se van introduciendo variantes a la estructura básica OFF-LINE, a fin de mejorar sus características técnicas y por tanto prestaciones, intentándolas acercar al ON-LINE a costo de OFF-LINE. Las técnicas actuales, para reducir los tiempos de transferencia, mantienen al ondulador en funcionamiento, aún en condiciones de red correcta, a fin de intervenir rápidamente cuando falla ésta. Existen fabricantes que nombran a esta estrategia con nombres vistosos comercialmente como "interactiva", pero no representan ninguna ventaja, puesto que la estrategia es muy común y extensamente utilizada. Comentaremos seguidamente, algunas variantes de la topología OFF-LINE:

3.2.3.1

Tipo Boost

Consiste en ampliar el margen de trabajo en modo red, con el fin de que la batería se utilice más tarde, en cuanto a límite de tensión de red se refiere de lo que sería en un OFF-LINE convencional, donde normalmente se interviene entre 180 a 190 (V) de red (según fabricantes), momento en que la UPS considera a ésta tensión baja.

Un boost

equipo

OFF-LINE

aporta

un

autotransformador que es activado al detectar la red baja

(180-190

V),

elevando éste la tensión de red un porcentaje tal, que permite a la salida situarse de nuevo sobre los 220 (V) nominales.

Se consigue en definitiva una elevación o "estabilización" en red baja y por lo tanto, retrasando hasta unos 165-175 (V) la intervención del ondulador. La aplicación es útil en zonas donde hay usualmente bajas tensiones de red, sin embargo, se mantiene la limitación típica de los OFF-LINE, protección básicamente frente cortes de red. INACAP COLON Página_52 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381




3.2.3.2


Tipo Estabilizador

En la vía de red, se intercala un estabilizador, de modo que la tensión de salida, proveniente de la red, es estabilizada un cierto porcentaje, tanto por exceso como por defecto, reduciendo pues, la variación de tensión proveniente de red, previa los límites de intervención del ondulador. Si al estabilizador, se le dota de un transformador separador o de aislamiento, dispondremos del equivalente en prestaciones, más próximo de una topología ON-LINE.

3.2.4

Topología IN-LINE

Es una nueva técnica de conocimiento reciente, cuyo origen es de una firma americana quien lo aplicó a equipos de elevada potencia, a fin de mejorar la fiabilidad y expectativas de vida. Comercialmente se utiliza como si de ON-LINE se tratara, por ello existen marcas que al ON-LINE auténtico, lo nombran como "verdadero" o "doble conversión". Originariamente, si está correctamente construido, las prestaciones y características que aporta son prácticamente de ON-LINE.

El sistema se basa en utilizar un ondulador reversible capaz tanto de generar, como de rectificar para cargar la batería.






Manteniendo al ondulador en marcha y variando la tensión y la fase generada por éste, se logra cargar adecuadamente la batería. Una etapa estabilizadora en la entrada, es obligada, para mantener al ondulador en los límites tolerables de trabajo como cargador y un elaborado filtraje protegen al propio ondulador de picks de sobretensión provenientes de la red que lo estropearían. Debe prestarse atención, al aislamiento eléctrico que pueda o no, incorporar el bypass.

3.2.5

Opciones y Características

La mayoría de las UPS tienen indicadores visuales y acústicos de falla de energía (con botón de reposición), y de bajo voltaje de la batería (alarma previa a la desconexión final). Muchos modelos tienen forma de simular un apagón para chequear el funcionamiento de la UPS y sólo unos pocos tienen la opción de "arranque en frío" cuando la UPS se encuentra apagado al ocurrir el apagón.






La mayoría de las UPS actuales poseen "puertos de comunicaciones" para comunicarse con los computadores y avisarles cuándo están trabajando con la energía de la red o de sus baterías, cuál es el voltaje de entrada o de salida, cuál es el consumo total de los equipos conectados, qué tan cargadas se encuentran las baterías, etc. Con base en esta información, existen sofisticados programas estadísticos y de control que permiten monitorear continuamente la UPS y en caso necesario, proceder a apagar automáticamente y en forma ordenada los diferentes computadores de la red cuyo servidor esté conectado a la UPS.

3.2.6

Las Mejores Combinaciones

Incluso dentro de las UPS más costosas, es difícil encontrar modelos que incorporen el transformador de aislamiento, ya que sus fabricantes asumen que todas las instalaciones eléctricas para rdes de computación cuentan con el. Por lo tanto, como en la realidad lamentablemente no es así, se debe instalar la UPS a la salida de un buen acondicionador con transformador de aislamiento.

Si la UPS entrega el mismo voltaje que recibe de la red, excepto cuando ocurre el apagón, como es el caso de la mayoría de las UPS Off-Line de onda cuadrada o escalonada, el acondicionador debe ser del mismo modelo que se utilizaría si no existiera el UPS.

Si la UPS incorpora el regulador, o si durante todo el tiempo entrega un voltaje generado internamente como lo hacen los UPS On-Line, lo ideal es un acondicionador con capacidad ligeramente mayor que la UPS. Si la UPS posee transformador de aislamiento, no se requiere acondicionador. Sin embargo, se recomienda instalar un supresor de transcientes de alta capacidad a la entrada de la UPS.

3.2.7

Precauciones

A menos que la UPS esté sobredimensionada, se debe evitar encender nuevos equipos durante el apagón, ya que el consumo de energía durante el arranque inicial de algunos computadores puede ser hasta 20 veces mayor que en estado estable. INACAP COLON Página_55 Av. Padre Hurtado Sur 875 – Las Condes – Santiago Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, teléfonos: (2)7310370 – (2)7310488, fax: (2)7310380 – (2)7310381





Si requiere instalar conjuntamente una UPS con un acondicionador o un regulador de voltaje, debe conectar en primer lugar el acondicionador, luego el regulador y finalmente la UPS. Sólo si la salida de voltaje de la UPS es 100% senoidal se pueden conectar en diferente orden teniendo en cuenta que el primer equipo debe tener la potencia suficiente para soportar a todos los demás.

Cuando conecte una UPS a la salida de un acondicionador o de un regulador de voltaje, éste debe ser de mayor potencia que la UPS, especialmente cuando la UPS es On-Line, pues no sólo deberá soportar el consumo de los equipos finales y de la UPS sino también la carga de las baterías después de un apagón.

Referencias -

Circuitos Eléctricos – Segunda Edición Joseph A. Edminister – MC Graw Hill

-

Circuitos Eléctricos – Introducción al Análisis y Diseño – Segunda Edición Richard C. Dorf – Alfa Omega

-

Calculus – Second Edition Michael Spivak – MC Graw Hill

-

Distribución Industrial de la Energía Mario Lillo Saavedra – Universidad de Concepción

-

Alimentación a Equipos Informáticos y Otras Cargas Críticas Salvador Martínez García – MC Graw Hill

-

Sintonizado con los Armónicos de Potencia Fluke Corporation

-

Fluke Tools Catalog Fluke Corporation

-

Artículo Revista Ingeniería Eléctrica Jorge Aldo Ovando – Circuitor Argentina

-

Web Site CPE Consultores Consultores Calidad de Potencia Eléctrica (www.inel.cl/cpe)


17_Calidad Del Suministro Eléctrico

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