CALIDAD DE ENERGIA

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

La calidad de la energía se entiende cuando la energía eléctrica es suministrada a los equipos y dispositivos con las características y condiciones adecuadas que les permita mantener su continuidad sin que se afecte su desempeño ni provoque fallas a sus componentes. Cuatro parámetros pueden servir como referencia para clasificar los disturbios de acuerdo a su impacto en la calidad de la l a energía: 

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variaciones de frecuencia que raramente ocurren en sistemas alimentados por las compañías suministradoras, siendo más común que se encuentren en sistemas aislados de motor-generador en los que las variaciones de carga provocan variaciones de frecuencia. Variaciones de amplitud pueden ocurrir en diferentes formas y rangos de duración que van desde transitorios de muy corta duración hasta condiciones de estado estable. Variaciones en la forma de onda de voltaje o corriente producidos por cargas no lineales, denominada distorsión armónica, siendo una condición de estado estable. Desbalance entre las fases de un sistema polifásico causado principalmente por la operación de cargas monofásicas desiguales que afectan principalmente a máquinas rotatorias y circuitos rectificadores rectificadores trifásicos. trifásicos.

El suministrador de energía eléctrica deberá ofrecer y mantener el servicio en forma de corriente alterna en una, dos o tres fases, a las tensiones altas, media y baja disponibles en la zona de que se trate observando que:  

La frecuencia sea de 60 Hz, con una tolerancia de 0.8 % en más o menos Que las tolerancias en el voltaje de alta, media o baja tensión, no excedan de 10% en mas o en menos y tiendan a reducirse progresivamente.

En la actualidad cada vez es más extendido el uso de equipo electrónico sensible y continuamente las velocidades de procesamiento se incrementan por lo que es indispensable que las instalaciones se realicen con apego a las normas, se cuente con equipos de protección adecuado y se reduzcan los disturbios en el sistema eléctrico, para lo cual es importante establecer una coordinación entre la compañía suministradora, los fabricantes de equipos y los usuarios.

Los armónicos son creados por cargas no lineales que absorben corrientes en impulsos bruscos en vez de hacerlo suavemente en forma sinusoidal. Estos impulsos crean ondas de corriente distorsionadas que originan a su vez corrientes armónicas de retorno hacia otras partes del sistema de alimentación. Este fenómeno se manifiesta especialmente en los equipos provistos de fuente de alimentación de entrada con condensadores y diodos, es decir, ordenadores personales, impresoras y material eléctromedico. Los armónicos son corrientes o tensiones cuya frecuencia son múltiplos enteros de frecuencia fundamental de la alimentación En la actualidad, los armónicos son un subproducto de la electrónica moderna, se manifiestan donde hay

LABOTARIO DE MEDIDAS ELECTRICAS

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La calidad de la energía se entiende cuando la energía eléctrica es suministrada a los equipos y dispositivos con las características y condiciones adecuadas que les permita mantener su continuidad sin que se afecte su desempeño ni provoque fallas a sus componentes. Cuatro parámetros pueden servir como referencia para clasificar los disturbios de acuerdo a su impacto en la calidad de la l a energía: 

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variaciones de frecuencia que raramente ocurren en sistemas alimentados por las compañías suministradoras, siendo más común que se encuentren en sistemas aislados de motor-generador en los que las variaciones de carga provocan variaciones de frecuencia. Variaciones de amplitud pueden ocurrir en diferentes formas y rangos de duración que van desde transitorios de muy corta duración hasta condiciones de estado estable. Variaciones en la forma de onda de voltaje o corriente producidos por cargas no lineales, denominada distorsión armónica, siendo una condición de estado estable. Desbalance entre las fases de un sistema polifásico causado principalmente por la operación de cargas monofásicas desiguales que afectan principalmente a máquinas rotatorias y circuitos rectificadores rectificadores trifásicos. trifásicos.

El suministrador de energía eléctrica deberá ofrecer y mantener el servicio en forma de corriente alterna en una, dos o tres fases, a las tensiones altas, media y baja disponibles en la zona de que se trate observando que:  

La frecuencia sea de 60 Hz, con una tolerancia de 0.8 % en más o menos Que las tolerancias en el voltaje de alta, media o baja tensión, no excedan de 10% en mas o en menos y tiendan a reducirse progresivamente.

En la actualidad cada vez es más extendido el uso de equipo electrónico sensible y continuamente las velocidades de procesamiento se incrementan por lo que es indispensable que las instalaciones se realicen con apego a las normas, se cuente con equipos de protección adecuado y se reduzcan los disturbios en el sistema eléctrico, para lo cual es importante establecer una coordinación entre la compañía suministradora, los fabricantes de equipos y los usuarios.

Los armónicos son creados por cargas no lineales que absorben corrientes en impulsos bruscos en vez de hacerlo suavemente en forma sinusoidal. Estos impulsos crean ondas de corriente distorsionadas que originan a su vez corrientes armónicas de retorno hacia otras partes del sistema de alimentación. Este fenómeno se manifiesta especialmente en los equipos provistos de fuente de alimentación de entrada con condensadores y diodos, es decir, ordenadores personales, impresoras y material eléctromedico. Los armónicos son corrientes o tensiones cuya frecuencia son múltiplos enteros de frecuencia fundamental de la alimentación En la actualidad, los armónicos son un subproducto de la electrónica moderna, se manifiestan donde hay


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un gran número de ordenadores personales, motores de velocidad regulable y otros equipos que absorben corriente en forma de impulsos. Cuando hay armónicos la forma de la onda no presenta una forma sinusoidal, la forma de la onda aparece distorsionada. Decimos que estas ondas son no sinusoidales. La propia red de alimentación puede ser una fuente indirecta de los armónicos de tensión. Las armónicas generadas en los sistemas de potencia son producidas por diferentes fuentes conectadas a la red, como son: convertidores estáticos, maquinas rotativas transformadores y equipos de arco. Junto a los convertidores estáticos hay dos cargas no - lineales que debido a su contribución de armónicas necesitan ser consideradas, consideradas, estos son los equipos de arco y lámparas fluorescentes. fluorescentes. La resonancia en paralelo produce una alta impedancia al flujo de corriente cuya frecuencia corresponde a la frecuencia de resonancia. La resonancia en serie produce en cambio un circuito de baja impedancia. La condición de resonancia paralelo puede causar oscilaciones de corriente que son excitadas por la corriente de resonancia en paralelo, Estas corrientes que fluyen a través de impedancias producen voltajes armónicos, produciendo entonces formas de onda de voltaje distorsionado.


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Para estudiar las características de los sistemas eléctricos es usual considerar los como resultado de la interconexión de diferentes bloques básicos: a) La fuente de alimentación, usualmente un voltaje sinusoidal. b) El consumo, usualmente constituido por resistencias, inductancias y condensadores de valores fijos. Así, cuando el consumo es un calefactor eléctrico de 1000 W y el volta je es 220 V efectivos, el voltaje y la corriente tendrán la forma de la Figura 1. Si el consumo es un motor de 1/6 HP, rendimiento 80%, factor de potencia 0,85, el voltaje y la corriente tendrán la forma de la Figura 2. La electrónica de potencia puso a disposición de los hogares y las empresas productivas diversos equipos capaces de controlar el producto final: iluminación variable, velocidad ajustable, etc. Así, aproximadamente un 50% de la energía eléctrica pasa por un dispositivo de electrónica de potencia antes que ésta sea finalmente aprovechada. La electrónica de potencia hace uso de diodos, transistores y tiristores, y prácticamente todos ellos trabajan en el modo de interrupción («switching»). Esto significa que trabajan esencialmente en 2 estados:


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Si bien existen diversos equipos cuyo consumo es no-lineal, televisores y computadores son de empleo masivo y, por tanto, las armónicas que inyectan han sido motivo continuo de análisis y normalización. La razón por la cual su consumo es nosinusoidal se relaciona con el empleo de un circuito de rectificación o fuente de poder de alimentación. La Figura muestra un diagrama básico circuital y la forma de onda de la corriente que se observa en la red de 220 V. Básicamente, el circuito con diodos conduce sólo en los instantes en que el voltaje se acerca al valor máximo; en ese instante se recarga el condensador que mantiene constante (simulando una batería de voltaje continuo constante), el voltaje en bornes del rectificador. Cuando el voltaje sinusoidal es inferior al voltaje del condensador los diodos dejan de conducir. El resultado es que prácticamente todos los computadores y televisores tienen un consumo de corriente pulsante, como el mostrado en la Figura ; los pulsos de corriente coinciden con el valor máximo del voltaje, lo que acentúa el problema de distorsión debido a la simultaneidad de este pulso de corriente en todos los televisores y computadores. El análisis de las señales armónicas en los sistemas eléctricos de potencia ciertamente no es un tópico moderno, antiguamente la inyección de armónicas al sistema eléctrico solo consideraba a los circuitos rectificadores y los transformadores saturados como fuente de las señales armónicas. Actualmente gracias a una serie de estudios realizados sobre armónicas, se conoce que cualquier carga no lineal produce armónicos es decir, es una verdadera fuente de corriente armónica. En los sistemas eléctricos de potencia A.C, las corrientes armónicas fluirán por el camino de menor impedancia. Estas armónicas se dividirán de acuerdo a la razón de impedancia de las ramas. Normalmente la fuente de potencia es el camino de baja impedancia, por lo tanto la mayoría de las corrientes armónicas fluirán hacia ella, sin embargo si existen instalaciones de capacitores de potencia, un problema podría ocurrir cuando la reactancia capacitiva de los capacitores de potencia es igual a la reactancia inductiva equivalente del sistema. La resonancia en paralelo produce una alta impedancia al flujo de corriente cuya frecuencia corresponde a la frecuencia de resonancia. La resonancia en serie produce en cambio un circuito de baja impedancia. La condición de resonancia paralelo puede causar oscilaciones de corriente que son excitadas por la corriente de resonancia en paralelo, Estas corrientes que fluyen a través de impedancias producen voltajes


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armónicos, produciendo entonces formas de onda de voltaje distorsionado. Hay que tener presente el acoplamiento inductivo entre las líneas de transmisión de potencia A.C y las líneas telefónicas (verdaderos circuitos abiertos). Este acoplamiento induce voltajes armónicos en los sistemas telefónicos, en los cuales se producen altos niveles de ruido, haciendo prácticamente imposible entender los mensajes telefónicos. Los sobrevoltajes producidas por las señales armónicas en los sistemas de potencia, pueden producir daños a los bancos de condensadores utilizados ya sea para mejorar el factor de potencia en la barra que se encuentran conectados ó como trampa de estas señales armónicas. Estos sobrevoltajes provocan un incremento de temperatura en el dieléctrico, resultando así una disminución de la vida útil de estos equipos. Dependiendo del nivel de armónicos, la influencia de estas señales en la exactitud de los instrumentos de medición de energía activa ó reactiva y factor de potencia, es prácticamente despreciable Cuando existen condiciones de resonancia, ahí es verdad cuando los instrumentos de medición son realmente afectados debido a la producción de sobrevoltajes por la presencia de estas señales armónicas. Los dispositivos tales como voltímetros y relés de sobrecorriente, que funcionan mediante disco de inducción, solo ven circulando la corriente fundamental pero debido a las fases desbalanceadas que son producto de la distorsión armónica, puede producir lo operación errónea de estos dispositivos. Cuando un banco de transformadores es energizado, una elevada corriente de excitación se produce, el valor de esta corriente puede ser muchas veces la magnitud de la corriente a plena carga. Si un capacitor esta en serie con el transformador cuando ocurre la energización, una condición de resonancia puede ocurrir, la cual produce que persista una elevada corriente. esta condición es conocida como ferrorresonancia. Las corrientes armónicas pueden ocasionar un excesivo calentamiento en las maquinas rotativas. Las corrientes armónicas de secuencia de fase positiva y negativa, ambas causan calentamiento adicional en el rotor sólido de las grandes maquinas sincrónicas.

Transformador Condensadores Motor de inducción Cables de conexión Equipos de computación

Sobrecalentamiento si el factor K es elevado (superior a 2,7) y la carga es superior al 90% de la nominal. Los condensadores (de compensación de factor de potencia, de iluminación, por ejemplo) se queman si la corriente por ellos es más que 1,3 veces su corriente nominal. Sobrecalentamiento y vibraciones excesivas si la distorsión de tensión es superior al 5%. Sobrecalentamiento si el valor efectivo de la corriente (medido con un instrumento true rms) es superior al que soporta el cable. Pérdidas de algunos datos y daños en algunas componentes electrónicas debido a que el voltaje máximo es superior al nominal o a que existe un diferencial de voltaje entre neutro y tierra.


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Distribución electricidad

de Dimensionamiento de conductores considerando armónicas. Disminución de las corrientes por el neutro mediante balance de cargas. Disminución de las corrientes armónicas mediante filtros y transformadores de aislación. Condensadores Sustitución por condensadores antiresonantes. Equipos contaminantes

Mejoramiento de los equipos (exigencia a los fabricantes de de ubicar filtros de línea o reactancias serie). Ejemplo de transformadores de aislación.

Los armónicos son tensiones o corrientes cuya frecuencia es un múltiplo entro de la frecuencia fundamental de suministro. Los interarmonicos son tensiones o corrientes cuya frecuencia es un múltiplo no entro de la frecuencia fundamental de suministro el conocimiento de las perturbaciones electromagnéticas asociadas a los interarmonicos se está iniciando actualmente por lo que existe un notable grado de interés por este fenómeno, los interarmonicos siempre presentes en la red de energía eléctrica, han adquirido recientemente mayor importancia debido a que la amplia utilización de los sistemas electrónicos de potencia ha producido un aumento de su proliferación. Al analizar una determinada forma de onda, sus armónicos e interarmónicos se denominan en función de sus componentes espectrales en un estado cuasi-estacionario definido sobre un ámbito determinado de frecuencias. La tabla muestra sus definiciones matemiticas.


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El término "subarmónico" no tiene una definición oficial —es un caso particular de interarmónico cuya frecuencia es menor que la frecuencia fundamental. Sin embargo, este término aparece en numerosas referencias y es de uso general en el ámbito profesional. Entre los armónicos de frecuencia de la tensión y de la corriente de la red de alimentación, se pueden observar otras frecuencias que no son un múltiplo entero de la fundamental. Estas frecuencias pueden aparecer como frecuencias discretas o como un espectro de banda ancha. Para posteriores consideraciones se aplicaran las siguientes definiciones: Será cualquier frecuencia que no sea múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Por análoga con el orden de un armonico, el orden de un interarmonico viene dado por la relación del la frecuencia del interarmonico y la frecuencia fundamental. Si el valor es menor a la unidad, la frecuencia también se denomina frecuencia subarmonia.

Se trata de una tensión sinusoidal cuya frecuencia esta intercalada entre la de los armonicos o dicho de otra forma, cuya frecuencia no es múltiplo entero de la fundamental. Básicamente existen dos mecanismos de generación de interarmonicos: El primero es la generación de componentes en las bandas laterales de la frecuencia de la tensión de suministro y sus armonicos debido a cambios en su magnitud y/o ángulo de fase. Estas variaciones están provocadas por cambios bruscos de corrientes en el equipo y en las instalaciones, que también pueden generar fluctuaciones en la tensión. Las perturbaciones la generan cargas que operan en un régimen transitorio, de manera continua o temporalmente, o más frecuentemente cuando se produce una modulación de amplitud de tensión y de corriente. Estas modulaciones son de carácter aleatorio, y dependen de las variaciones de cargas inherentes a los procesos y eq uipos utilizados. El segundo mecanismo es la conmutación asíncrona, (es decir, no sincronada con la frecuencia de la red de suministro de energía eléctrica) de los dispositivos semiconductores de los convertidores estáticos ejemplos típicos son los ciclosconvertidores y los convertidores de modulación de anchura de impulso (PWM). Los interarmonicos generados por ellos pueden encontrarse en cualquier parte de los espectros de los armonicos de la tensión de la red de alimentación. Los interarmonicos se pueden generar a cualquier nivel de tensión y se transfieren entre niveles diferentes; es decir interarmonicos generados en sistemas de alta y media tensión pueden inyectarse en el sistema de baja tensión y viceversa. Su magnitud raramente supera el 0.5% del armonico fundamental de tensión, aunque en condiciones de resonancia podrían presentarse niveles más elevados.


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Entre las fuentes básicas de esta perturbación se cuentan:  Cargas productoras de arco eléctrico.  Dispositivos de accionamiento eléctrico de carga variable.  Convertidores estáticos, es particular los convertidores de frecuencia directos e indirectos.  Controles de ondulación. Los interarmónicos también pueden ocasionarse por oscilaciones que se generan, por ejemplo, en sistemas que contengan condensadores en serie o en paralelo o en los que los transformadores estén saturados y durante los procesos de conmutación.

En este grupo se incluyen los hornos de arco y las máquinas de soldadura. Los hornos de arco normalmente no introducen interarmónicos significativos, excepto cuanto se amplifican debido a la presencia de resonancias. El régimen transitorio, que es una fuente de interarmónicos, se produce de manera más intensa durante la fase inicial de la fundición (Figura). Las máquinas de soldadura generan un espectro continuo asociado con su proceso particular. La duración cada una de los operaciones individuales de soldadura varía entre uno y diez segundos, dependiendo del tipo de máquina de soldar.

Los motores de inducción pueden generar interarmónicos debido a las ranuras del hierro del estator y del rotor, especialmente cuando se asocian con la saturación del circuito magnético (los denominados "armonicos de ranuras"). Cuando el motor alcanza la velocidad de régimen, las frecuencias de los componente* perturbado*es normalmente están comprendidas entre 500 Hz y 2000 Hz pero, durante el periodo de arranque, este margen puede aumentar notablemente. La asimetría natural del motor (desalineamiento del rotor, etc.) puede ser tambien una fuente de interarmonicos véase Figura.


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Los convertidores de frecuencia indirectos contienen un circuito de acoplamiento de cc con un convertidor de entrada en la parte de la red de alimentación eléctrica y un convertidor de salida (que normalmente actúa como inversor) en la parte de la carga. En las configuraciones de corriente o de tension, el circuito de acoplamiento de corriente continua contiene un filtro que desacopla la corriente o la tensión de los sistemas de alimentación y de carga. Por e*a razón las dos frecuencias fundamentales (la de alimentacion y la de carga) se desacoplan mutuamente. Pero el filtrado ideal no existe, y siempre hay un cierto grado de acoplamiento. A consecuencia de ello, en el circuito de acoplamiento de cc están presentes componentes de corrientes asociados con la carga, y componentes de estos están presentes en la parte de la red de alimentacion. Estos componentes son subarmónicos e interarmónicos con respecto a la frecuencia del sistema de alimentación de energía eléctrica.


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Este tipo de control permite el paso de un ciclo completo de corriente a través de un conmutador electrónico (semiconductor). Por lo tanto la corriente no se ve distorsionada por el dispositivo de control - es sinusoidal (para una carga lineal), o cero. En la Figura A ser muestra un ejemplo de conmutadores de control electrónico en una configuración trifásica. La conmutación de una carga trifásica en el punto de cruce cero de las tensiones de fase produce un flujo de corriente en el conductor neutro de un sistema de cuatro hilos. Con la conmutación simultánea entre las fases y una carga resistiva no se genera flujo de corriente en el conductor neutro (Figura A) pero, en el caso de una carga inductiva, se producen transitorios asociados con los procesos de conmutación.

El término transitorios se utiliza en el análisis de sistemas de potencia para referirse a un evento indeseable y momentáneo en la naturaleza. Se puede definir como un cambio súbito en el estado estable de la tensión, la corriente o una determinada carga, que se manifiesta como una variación en la forma de onda, cuya duración es una fracción del ciclo de la frecuencia natural. Los sobrevoltajes transitorios pueden originarse por maniobras de conexión o desconexión, descargas atmosféricas y descargas electrostáticas. Los transitorios eléctricos más severos son los ocasionados por las descargas atmosféricas. Éstas pueden dañar el aislamiento de transformadores, motores, capacitores, cables y ocasionar fallas en líneas de transmisión por la ionización del aire. La protección del aislamiento del equipo eléctrico se ha llevado a cabo tradicionalmente con apartarrayos y capacitores. Los transitorios eléctricos ocasionados por maniobras con interruptores se deben a que el sistema debe pasar de una condición de estado estable a otra. Un ejemplo de maniobras con interruptores que dan lugar a sobrevoltajes transitorios es la conexión de capacitores. La energización de transformadores y de motores da lugar a sobrecorrientes transitorias. La desconexión de estas cargas inductivas también da


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lugar a sobrevoltajes transitorios. La conexión de capacitores y la desconexión de cargas inductivas se han llevado a cabo sin mayor daño al resto de las cargas convencionales. Pero las cargas sensibles empleadas en hospitales, centros de cómputo y en los controles industriales son más susceptibles a estos disturbios. De ahí la necesidad de los supresores de sobrevoltajes transitorios, estos protegen al equipo electrónico sensible dentro de límites de voltaje menores que los apartarrayos. El equipo electromagnético tolera sobrevoltajes transitorios hasta que su aislamiento se perfora; en cambio, el equipo electrónico sensible puede dejar de funcionar o funcionar erráticamente antes de que ocurra daño visible. Mientras que el propósito de los apartarrayos es el de proteger el aislamiento de transformadores, motores y líneas de transmisión, el propósito de los supresores de sobrevoltajes transitorios es el de proteger al equipo electrónico sensible. La Figura muestra un sobrevoltaje transitorio ocasionado por la conexión de un capacitor en un tomacorriente. Debido al pico que presenta en la captura de forma de onda del voltaje.

Transitorios en sistemas eléctricos


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Fenómenos muy rápidos  Causan grandes esfuerzos debido a corrientes y/o voltajes excesivos.

• Daños a equipo. • Desconexiones indeseadas. • Paros imprevistos. • Apagones.

Transitorios Sencillos Ocasionados por Maniobras con Interruptores

Es un cambio súbito en la condición de estado estable de la tensión, la corriente o ambas, que es unipolar. Los transitorios impulsivos se caracterizan por sus tiempos de elevación y caída, debido a que alcanzan altos valores de voltaje en periodos de tiempo muy cortos, pero su caída es más lenta y suave. La causa más común de este tipo de


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transitorios son las descargas atmosféricas. En la figura se muestra un transitorio tipo impulso provocado por una descarga atmosférica.

.

Debido a las altas frecuencias involucradas, la forma de los transitorios impulsivos puede cambiar rápidamente por los componentes del circuito y puede presentar características significantemente diferentes al ser visto desde distintos puntos del sistema de potencia. Estos transitorios pueden excitar la frecuencia natural de los circuitos del sistema de potencia y provocar transitorios oscilatorios. 1.2 Transitorios tipo oscilatorios

Es un cambio súbito en la condición de estado estable de la tensión, la corriente o ambas, que incluye las polaridades negativa y positiva. Consiste en voltajes o corrientes cuyos valores instantáneos cambian rápidamente. Los transitorios oscilatorios de altas frecuencias son aquellos cuya frecuencia primaria es mayor a 500 kHz, su duración es de microsegundos y surgen como respuesta a transitorios tipo impulso en el sistema local. Los transitorios de media frecuencia son los que duran cerca de 20 microsegundos y cuya frecuencia primaria es de 5 a 500 KHz, surgen de energización de capacitores, conmutaciones de cables o como respuesta del sistema ante un transitorio impulsivo. En la figura se muestra un transitorio debido a la conmutación de capacitores.


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Figura: Transitorio tipo oscilatorio de corriente causado por conmutación de capacitores. Los transitorios tipo oscilatorios de bajas frecuencias presentan frecuencias primarias menores a 5 kHz y duraciones de milisegundos, este tipo de fenómenos son comunes en sistemas de subtransmisión y distribución y son causados por muchos tipos de eventos, el más común es la energización de bancos de capacitores, como el caso mostrado en la figura; también se asocian a energización de transformadores y ferroresonancia, este último caso se muestra en la figura.

Los supresores se pueden clasificar de acuerdo a la conexión con la carga que protegen. La conexión puede ser en paralelo o en serie con la carga, siendo la conexión en paralelo la más común. El tamaño de los supresores paralelo no depende del tamaño de la carga, sino de su cercanía a la acometida y de la corriente que pueden tolerar. El supresor de sobrevoltajes transitorios conectado en paralelo y el apartarrayos tienen el mismo principio de operación; cuando el voltaje en terminales de éstos aumenta, la resistencia del elemento de protección disminuye, dejando pasar más corriente.



Sujetadores de voltaje, “voltage clamping devices”,  Dispositivos de arco, “crowbar devices”.

Ambos tipos de protectores (supresores) paralelo drenan corriente cuando el voltaje aumenta por arriba del valor de ruptura. Los sujetadores de voltaje recuperan el estado de circuito abierto cuando el voltaje disminuye por debajo del nivel de ruptura, mientras que los de arco entran en conducción cuando el voltaje está muy por arriba


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del voltaje de arco (digamos un 50% por arriba de dicho voltaje), una vez en conducción el voltaje en terminales cae repentinamente a ese voltaje de arco y se mantiene casi constante. Entre los dispositivos sujetadores de voltaje se tienen los siguientes: MOV, varistor de óxido metálico, Celdas de selenio Diodos de avalancha, protectores zener. La Figura a muestra la característica corriente - voltaje de un supresor zener con voltaje de ruptura nominal de 15 V a 1 ma. Obsérvese que la corriente es casi cero cuando el voltaje en terminales del supresor es inferior a 15 V y la corriente crece rápidamente cuando el voltaje excede un valor cercano al nominal. La Figura b corresponde a la característica corriente - voltaje de un MOV de 150 V rms. La corriente es prácticamente cero para voltajes inferiores a 260 V y para voltajes superiores la corriente crece rápidamente.

Entre los dispositivos de arco se encuentran los siguientes:

Tubos de gas. Puntas metálicas con separación pequeña, entrehierros. Puntas de carbón con separación pequeña. Tiristores. Estos dispositivos tiene la capacidad de manejar grandes corrientes ya que el voltaje en sus terminales disminuye en forma importante cuando están en estado de conducción. Se utilizan frecuentemente en protectores telefónicos y en protectores de líneas de datos. No se pueden utilizar fácilmente en protectores de alimentación de CA; en esa aplicación son preferibles los sujetadores de voltaje. La Figura 3 muestra la característica corriente - voltaje de un tubo de gas, el voltaje de arco es de 60 V; pero el voltaje en terminales debe llegar a casi 100 V para que entre en conducción, cuando el voltaje cae por debajo de 60 V la corriente se hace cero.


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Los supresores serie utilizan elementos de protección como los utilizados en los protectores paralelo; pero incorporan un inductor o un resistor serie; debido a esto pueden limitar mucho mejor los sobrevoltajes transitorios. Los elementos serie deben ser capaces de conducir la misma corriente que la carga, de ahí que las dimensiones y el costo de éstos sean dependientes de la carga. La Figura muestra un supresor de línea de datos que tiene elementos serie.

Los supresores de sobrevoltajes transitorios también se pueden clasificar de acuerdo a su ubicación. De acuerdo al “IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in LowVoltage AC Power Circuits”, se tienen las categorías A, B y C. La Figura ilustra la ubicación de tres categorías.


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La categoría C corresponde a las siguientes ubicaciones: instalación exterior y acometida, circuitos que van del watthorímetro al medio de desconexión principal, cables del poste al medidor, líneas aéreas a edificios externos líneas subterráneas para bombas. La categoría B corresponde a las localidades siguientes: alimentadores y circuitos derivados cortos. tableros de distribución, barrajes y alimentadores en plantas industriales tomacorrientes para aparatos grandes con cableados cercanos a la acometida sistemas de iluminación en edificios comerciales La categoría A corresponde a las ubicaciones siguientes: tomacorrientes y circuitos derivados largos, todos los tomacorrientes que estén a más de 10 m de categoría B con hilos#14 - #10, todos los tomacorrientes que estén a más de 20 m de categoría C con hilos #14 - #10. Esta clasificación es el resultado de un compromiso entre dos extremos: a) proteger en forma sobrada sin importar la inversión inicial y b) no proteger evitando así la inversión inicial. Entre estos extremos, el estándar recomienda que los protectores de categoría C deben ser capaces de tolerar mayores corrientes que los de categoría A y B, mientras que el B debe soportar mayores corrientes que los de categoría A. Es por esto que, en general, los de categoría C son más robustos y más costosos. La clasificación también sugiere que los de categoría A tengan un voltaje de sujeción menor, de esta manera los de clase B y C se encargan de manejar altas energías y los de categoría A se encargan de restringir las excursiones del sobrevoltaje transitorio pare evitar disturbios en la operación del equipo sensible. La Figura muestra que la impedancia del alambrado actúa como un supresor serie.


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Las fluctuaciones en la tensión son una serie de cambios o variaciones aleatorias en la tensión, cuya magnitud normalmente no excede los rangos especificados por las normas. Las cargas que exhiben variaciones rápidas y continuas en la magnitud de la corriente de la carga, pueden provocar fluctuaciones rápidas en la tensión, conocidas como flickers o “parpadeos” de la luz percibidas por el ojo humano. La señal de estos “parpadeos” se define

según su valor rms como un porcentaje de la señal fundamental y son medidos con respecto a la sensibilidad del ojo humano. Las causas más comunes de fluctuaciones en la tensión en sistemas de transmisión y distribución son los arcos eléctricos debidos a sobrecalentamientos. En la figura 2.6 se muestra un ejemplo de este tipo de fenómenos.

Figura

Fluctuación

en

la

tensión

causada

por

arcos

eléctricos

debidos

a

sobrecalentamientos.

En realidad el término flicker (parpadeo) se refiere al efecto más notorio de las variaciones del voltaje. Cuando el voltaje aplicado a lámparas varía a baja frecuencia, puede ser que la intensidad luminosa también varíe y por lo tanto las lámparas ‘parpadean’. En algunos casos se aprecia el parpadeo en los monitores de computadoras. Si los cambios en el voltaje son pequeños y ocurren de manera esporádica, el parpadeo no es un problema serio, pero puede ser molesto. Típicamente el parpadeo es debido a la energización de cargas que requieren de corrientes grandes en el arranque. Si los arranques son frecuentes o si los requerimientos de corriente de la carga fluctúan rápidamente durante cada ciclo de operación, los efectos del parpadeo pueden ser pronunciados. Ejemplos de cargas que pueden producir parpadeo son elevadores, hornos de arco y soldadoras de arco. Formalmente las fluctuaciones del voltaje se definen como una serie de c ambios en el voltaje o una variación cíclica de la envolvente del voltaje (IEEE, 1999, Pág. 22). Las fluctuaciones del voltaje son variaciones sistemáticas de la envolvente del voltaje o una serie de cambios aleatorios en el voltaje cuya magnitud normalmente no excede los límites especificados.


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DEFINICIÓN: Conductor de puesta a tierra aparte para carga única PROBLEMAS RESUELTOS: Ruido e impulsos en modo común provenientes de otros equipos en el sistema de puesta a tierra MITO Soluciona todos los problemas de voltaje REALIDAD No tiene efecto alguno en los sobrevoltajes, caídas momentáneas ni reducciones planificadas.

DEFINICIÓN: Dispositivo que bloquea el voltaje en un nivel seguro durante un impulso. PROBLEMAS RESUELTOS: Impulsos y rayos . MITO: Brinda protección contra sobrevoltajes (aumentos momentáneos). REALIDAD: Si el voltaje aumenta por sobre el nivel de bloqueo del dispositivo, fundirá los fusibles o destruirá el dispositivo.


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DEFINICIÓN: Dispositivo que posee una batería para dar respaldo durante una interrupción del suministro. PROBLEMAS RESUELTOS: Interrupciones del suministro (limitado a la duración de la batería). Impulsos, ruido, sobrevoltajes, caídas momentáneas, reducciones planificadas y armónicos (dependiendo de la tecnología UPS). MITO: El estabilizador UPS para computadoras solucionará todos los problemas de calidad de la energía. REALIDAD: Depende de lo que se pague por el producto, en este caso simplemente se trata de respaldo a batería durante una interrupción del suministro.

ANALIZADOR DE CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA FLUKE 43B Soluciones potentes para necesidades actuales Disyuntores que se disparan, transformadores que se calientan en exceso, motores que se queman, máquinas que no funcionan correctamente; cualquiera que sea el problema, puede identificar la causa con el Analizador de calidad de la energía eléctrica Fluke 43B. Como Analizador de calidad de la energía eléctrica, está optimizado para medidas industriales en la frecuencia fundamental de 50 Hz. El Fluke 43B es el único instrumento que combina las funciones de un Analizador de calidad de la energía eléctrica, un osciloscopio de 20 MHz, un multímetro y un registrador de datos en una única herramienta. Puesto que su rango de frecuencia fundamental se extiende de 10 a 400 Hz, resulta ideal también para aplicaciones aeronáuticas, navales y ferroviarias


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CARACTERÍSTICAS

El instrumento de análisis perfecto para controlar todos los problemas relacionados con la energía e El Fluke 43B es la elección de los técnicos de mantenimiento para el diagnóstico y medida de problemas relacionados con la calidad de la energía eléctrica y fallos de equipos general de toda la industria

1. Analizador de calidad de la energía eléctrica Medida de energía (W, VA, VAR) y factor de potencia (PF, DPF) Energía y factor de potencia en cargas trifásicas equilibradas Armónicos de tensión, corriente y potencia hasta el orden 51º. Medida de fluctuaciones ciclo a ciclo durante un máximo de 24 horas Captura automáticamente hasta 40 transitorios en tan sólo 40 ns Mide corriente de arranque de motores. Medida con cursores Cubre un rango de frecuencia amplio (10 a 400 Hz) 2. Modo Osciloscopio Osciloscopio de doble canal Ancho de banda de hasta 20 MHz con Sonda de tensión VPS40 GRATIS (incluida solamente con Fluke 43B) Disparo automático "Connect-and-View" para obtener una visualización de formas de onda instantánea y estable Cursores en pantalla para análisis de la señal 3. Modo Multímetro Mide resistencia, continuidad, capacidad y comprueba diodos Mide temperatura con sondas de temperatura opcionales (Termómetro por infrarrojos Fluke 61 incluido solamente con Fluke 43B) 4. Modo Registrador Registra hasta 2 parámetros durante un período de hasta 16 días


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Pueden registrarse todos los parámetros medidos, incluso V/A/Hz, todos los aspectos de energía y armónicos y todas las medidas de osciloscopio Almacena hasta 4000 eventos de tensión con el VR101S (Kit Fluke 43B) Facilidad de uso Entre inmediatamente en el interior del sistema eléctrico con sólo pulsar un botón para seleccionar los modos de calidad de la energía eléctrica más utilizados. Con sólo seleccionar la aplicación del menú, ésta se configura automáticamente 20 memorias para almacenar pantallas y datos Aspectos generales Calcula la potencia trifásica en cargas equilibradas a partir de una medición monofásica Mide los armónicos de potencia y captura fluctuaciones de tensión, transitorios y corrientes de entrada Las funciones de supervisión ayudan a realizar seguimientos de problemas intermitentes y del rendimiento del sistema eléctrico Los menús utilizan terminología eléctrica común Se puede cambiar entre los modos de calidad de alimentación más utilizados con sólo pulsar una tecla Registra dos parámetros seleccionables durante un período de hasta 16 días 20 memorias de mediciones para guardar y recuperar pantallas y datos con lecturas del cursor El software de FlukeView puede registrar armónicos y otras lecturas a lo largo del tiempo El software de FlukeView proporciona un perfil completo de los armónicos hasta el 51º Mide la resistencia, la caída de tensión de diodos, la continuidad y la capacitancia

Armónicos Armónicos de tensión, corriente y potencia Representación de armónicos hasta el 51º Distorsión total por armónicos (THD) Ángulo de fase de armónicos independientes


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Potencia

Potencia monofásica y trifásica en cargas equilibradas Vatios, factor de potencia, factor de potencia de desplazamiento, VA y VAR Formas de onda de tensión y corriente

Trifásica Los gráficos mostrados en la pantalla indican cómo configurar las mediciones de potencia trifásica

Fluctuaciones Medición continua de tensión y corriente ciclo a ciclo durante un máximo de 16 días Mediante cursores se pueden leer la fecha y hora de las fluctuaciones


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Transitorios

Captación de transitorios de tensión y distorsiones de formas de onda Captación y registro de hasta 40 transitorios Relación de la causa de los transitorios con las indicaciones de fecha y hora

Voltios/Amperios/Hz

Formas de onda de tensión y corriente RMS real para tensión y corriente Frecuencia

Analizador de calidad de la energía eléctrica Fluke 43B serie ESPECIFICACIONES 10 kHz Armónicos en frecuencia fundamental de 400 Hz: 9th Precisión normal para frecuencia fundamental de 5% 40 Ancho de banda útil: V/A/Hz

Hz..3.5

Ancho de banda útil: 20 Hz..2 kHz Potencia,vida útil de Armónicos en frecuencia fundamental de 400 Hz: 5th la batería Precisión normal para frecuencia fundamental de 40 10%

Armónicos

Ancho de banda útil: 10 Hz..3.5 kHz Armónicos en frecuencia fundamental de 9th 400 Hz: 10% Canal 1, 50% Precisión normal para frecuencia Canal 2 fundamental de 40


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Especificaciones dadas como ±(porcentaje de la lectura + número de cuentas), sin las sondas mientras no se especifique l Las especificaciones abajo presentadas son válidas para señales con componente fundamental entre 40 Hz y 70 Hz

Nota Características entrada

de

Impedancia de entrada 1 MΩ, 20 pF

Tensión RMS real (AC + DC) Rangos: 5.000 V, 50,00 V, 500,0 V, 1.250 V* Exactitud: ±(1% + 10 cuentas) Indicación de V/A/Hz Corriente RMS real (AC + DC) 50,00 A, 500,0 A, 5.000 kA, 50,00 kA, Rangos: 1.250 kA Exactitud: ±(1% + 10 cuentas) Vatios VA, VAR Rangos: Indicación potencia

de Exactitud: Exactitud: Factor potencia Rango: Exactitud: Tensión, frecuencia Rangos: Exactitud:

Monofásicos, trifásicos, cargas equilibradas de 3 conductores 250 W - 1,56 GW ±(4% + 4 cuentas) Potencia de componente fundamental ±(2% + 6 cuentas) Potencia total de 0 - 1,0 ±0,04 corriente, Fundamental hasta el 51er armónico

VA ±(3% + 2 cuentas) W ±(5% + 2 cuentas) VA ±(5% +3 cuentas) W ±(10% +10 de Del 2º al 31º armónico: cuentas) VA ±(15% +5 cuentas) W ±(30% +5 Del 32º al 51º armónico cuentas) Frecuencia de fundamental Rangos: 40 Hz a 70 Hz Exactitud: ±0,25 Hz Fase Fundamental:

Indicación armónicos

Fluctuaciones

Tiempos de registro: De 4 minutos a 16 días (seleccionable) Vrms reales, Vrms máx., mín (AC + DC) Rangos: 5.000 V, 50,00 V, 500,0 V, 1.250 V* Lecturas ±(2% +10 cuentas); Lecturas Exactitud: de cursor ±(2% + 12 cuentas)


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Captura transitorios

R, C, continuidad

de Anchura mínima de impulso: 40 ns Ancho de banda útil, entrada 1:DC a 1 MHz Rangos resistencia: Exactitud diodos, resistencia: Rangos capacitancia: Exactitud capacitancia:

de500,0 W, 5.000 kΩ, 50,00 kΩ, 500,0 kΩ, 5.000 MΩ, 30,00 MΩ de ±(0,6% + 5 cuentas) de50,00 nF, 500,0 nF, 5.000 µF, 50,00 µF, 500,0 µF de ±(2% + 10 cuentas)

Corriente de entrada

Tiempos de corriente de 1 s, 5 s, 10 s, 50 s, 100 s, 5 min entrada: 1 A, 5 A, 10 A, 50 A, 100 A, 500 A, Rangos de corriente: 1.000 A

Temperatura accesorio)

Rango:-100 °C a 400 °C

Pantalla osciloscopio

Memorias

(con

dc, ac, ac+dc, pico, pico a pico, frecuencia, Mediciones: ciclo de trabajo, fase, anchura de impulso, factor de cresta Rangos de tiempo: 20 ns/div. a 60 s/div. Velocidad de 25 MS/s muestreo máx.: Ancho de banda 20 MHz en las entradas, 20 MHz con la sonda Canal de tensión VPS40 (incluida con el Fluke 43B), 1 MHz con de [1]: los cables TL24 Canal de corriente 15 kHz en las entradas, 10 kHz con las sondas [2]: de corriente incluidas Acoplamiento: AC, DC (10 Hz - 3 dB) Sensibilidad 5 mV/div. a 500 V/div. vertical: Resolución 8 bits (256 niveles) vertical: Longitud de 512 mediciones por canal registro: 20 (pantallas, ajustes, datos) Tiempos registro: Parámetros:

Grabación

de

De 4 minutos a 16 días (seleccionable) Seleccione uno o dos parámetros de uno de los grupos siguientes: Voltios/Amperios/Hz Vatios, VA, VAR, PF, DPF, frecuencia Armónicos, THD, voltios (fund. y armónicos), amperios (fund. y armónicos) y vatios (fund. y armónicos)


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Nota

Temperatura trabajo

* Calificado como CAT III de 600 V

de

0 °C a +50 °C

Seguridad eléctrica

EN 61010-1 CAT II, 600 V. Certificados UL y CSA

Dimensiones

232 x 115 x 50 mm

Peso

1,1 kg

Garantía

3 años

Vida útil de la batería

Batería recargable de Ni-Cd (cargador incluido), 4 horas de duración típica (funcionamiento continuo)

Golpes y vibraciones

Mil 28800E, Tipo 3, Categoría III, Clase B

Estuche

IP51 (polvo, salpicaduras, hermeticidad al agua)

Actualmente en el Perú se cuenta con la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos (NTCSE) aprobada en Octubre de 1997, en la que se establecen las disposiciones que fijan los estándares mínimos de calidad que garanticen a los usuarios un suministro eléctrico continuo, adecuado, confiable y oportuno. La Norma también establece que los usuarios finales de la energía eléctrica están obligados a cumplir ciertos requerimientos mínimos que aseguren un buen empleo de la energía eléctrica y que no ocasionen perturbaciones en las redes eléctricas. Los parámetros de calidad de producto definidos por la Norma Técnica de Calidad, son los siguientes: - Tensión: Las tolerancias admitidas sobre las tensiones nominales de los puntos de entrega, en todas las etapas y en todos los niveles de tensión, es de hasta el ± 5.0% de las tensiones nominales de tales puntos. - Frecuencia: Variaciones sostenidas de frecuencia - Perturbaciones: a) Tensiones armónicas individuales. El Factor de Distorsión total de tensiones armónicas (THD) no debe superar el 3% para tensiones mayores de 60 kV y 5 % para tensiones menores de 60 kV. b) Flicker Las Normas Internacionales plantean las siguientes holguras con respecto al voltaje nominal en cualquier punto de conexión entre una empresa eléctrica y cada cliente:


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a) En Baja Tensión (BT). Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el voltaje deberá estar dentro de rango de -7,5% a +7,5% durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro. Se entiende por BT los voltajes nominales menores o iguales a 660 V entrefases. b) En Media Tensión (MT). El rango de voltaje deberá estar entre -6,0% y +6,0% en las mismas condiciones descritas en el párrafo a. Se define como MT a los voltajes mayores que 660 V y menores o iguales a 44 kV entrefases. c)En Alta Tensión (AT). Se distinguen dos casos: cl) Tensión Nominal menor o igual a 154 kV. El rango de voltaje deberá estar entre -6,0% y +6,0%. c2) Tensión Nominal Superior a 154 kV. El rango de voltaje deberá estar entre -5,0% y +5,0%. Se entiende por AT los voltajes superiores a 44 kV entrefases y menores o iguales a 220 kV entrefases. Los voltaje superiores se denominan EAT, es decir, extra alta tensión.

a) Las mediciones para el control de la tensión en puntos de entrega del suministro a clientes en muy alta, alta o media tensión, se registran con uno o más equipos en forma trifásica y simultánea con la energía integrada en intervalos de quince (15) minutos. b) En los puntos de entrega del suministro a clientes en baja tensión, el control de la tensión se realiza en forma trifásica o monofásica (según el tipo de suministro) y la energía entregada en condiciones de mala calidad a cada cliente afectado, se evalúa según lo establecido en la Sétima Disposición Final de la NTCSE. c) En intervalos con medición de tensión en BT, inferior a las tolerancias mínimas admitidas, se considera como clientes afectados sujetos a compensación por esta mala calidad de tensión, a todos los suministros monofásicos y/o trifásicos ubicados desde e incluido el cliente donde se hizo la medición hasta el extremo final de todo el alimentador y ramales en BT posteriores al punto medido. d) En intervalos con medición de tensión en BT, superior a las tolerancias máximas admitidas, se considera como clientes afectados sujetos a compensación por esta mala calidad de tensión, a todos los suministros monofásicos y/o trifásicos ubicados desde e incluido el cliente donde se hizo la medición hasta el inicio del respectivo alimentador en BT.

a) El coordinador de la operación en tiempo real, en el caso de sistemas interconectados, y el encargado de la operación en tiempo real, en el caso de sistemas aislados, eligen el punto o puntos de medición que garanticen el registro de la frecuencia para el sistema o partes de él, y comunica por escrito al OSINERG, la siguiente información por cada punto donde registrará la frecuencia: - Código asignado al punto (máximo 10 posiciones). - Ubicación - Fecha de instalación del registrador de frecuencia. - Marca y modelo del equipo registrador. - Número de serie del registrador.


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CALIDAD DE ENERGIA

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