Calidad De La Energia: Ing. Diego Armando Rosales Diaz Iepe Iluminacion

CALIDAD DE LA ENERGIA

Ing. Diego Armando Rosales Diaz IEPE ILUMINACION

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INDICE INTRODUCCIÓN 1.1.- TRANSITORIOS 1.1.1.- Transitorios Impulsivas 1.1.2.- Transitorios Oscilatoria 1.2.- VARIACIONES DE VOLTAJE DE CORTA DURACIÓN 1.2.1.- Sags 1.2.2.- Swells 1.2.3.- Interrupciones 1.3.- VARIACIONES DE VOLTAJE DE LARGA DURACIÓN 1.3.1.- Sobre voltaje 1.3.2.- Bajo voltaje 1.3.3.- Interrupciones sostenidas 1.4.- DESBALANCE DE VOLTAJE. 1.5.- DISTORSIONES DE LA FORMA DE ONDA 1.5.1.- DC Offset 1.5.2.- Armónicos 1.5.3.- Interarmónica 1.5.4.- Notching 1.5.5.- Noise (ruido) 1.6.- FLUCTUACIONES DE VOLTAJE ARMONICOS 2.1.- EL RADIO DE UNA ARMÓNICA INDIVIDUAL Y LA DISTORSIÓN TOTAL DE ARMÓNICAS (THD) 2.1.1.- Fuentes de los armónicos 2.1.2.- Armónicas características en cargas industriales 2.1.3- Análisis fasorial, de componentes simétricas y fasorial equivalente de las corrientes en diferentes condiciones .1.3.a.- Análisis fasorial para corriente senoidal trifásica balanceada 2 .1.3.a..1.3.b.- Análisis de un sistema de corriente senoidal trifásico desbalanceado 2 .1.3.b..1.3.c.- Análisis de la corriente trifásica no sinusoidal balanceada 2 .1.3.c..1.3.d.- Análisis de la corriente trifásica no sinusoidal desbalanceada 2 .1.3.d.2.1.4.- Armónicas características de cargas residenciales PRINCIPALES PERTURBACIONES CAUSADAS POR LOS VOLTAJES Y CORRIENTES ARMÓNICOS 3.1.- EFECTOS INSTANTÁNEOS 3.1.1.- Vibraciones Y Ruido 3.1.2.- Interferencia En Circuitos De Control Y Telecomunicaciones 3.2.- EFECTOS DE LARGO PLAZO 3.2.1.- Calor en los capacitores 3.2.2.- Calor debido a pérdidas adicionales en máquinas y en transformadores 3.2.3.- Calor en cables y equipos 3.2.4.- Ejemplo del espectro de armónicos generados por convertidores de 6 y 12 pulsos 3.3.- LÍMITES ACEPTABLES, RECOMENDACIONES Y NORMAS

3 4 5 5 6 7

7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 10

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3.3.1.- Limites generales 3.3.2.- Límites para circuitos industriales 3.3.3.- Límites típicos para circuitos de distribución 3.4.- EFECTO DE CONECTAR BANCOS DE CONDENSADORES EN UN SISTEMA ELÉCTRICO 3.4.1.- Resonancia 3.4.2.- Resonancia Serie 3.4.3.- Resonancia Paralelo 3.4.4.- Resonancia en las Instalaciones Industriales 3.4.5.- Factor de Amplificación 3.4.6.- Desplazamiento del Factor de Potencia dFP SOLUCIONES AL PROBLEMA DE LOS ARMÓNICOS 4.1.- REACTANCIAS EN LAS LÍNEAS 4.1.1.- Reactancias de línea trifásicas. 4.1.2.- Reactancias para DC. (choke) 4.2.- FILTROS PASIVOS DE ARMÓNICAS 4.3.- DESFASE 4.4.- FILTROS ACTIVOS CALCULO DE FILTROS 5.1.- INDUCTANCIAS EN LÍNEA 5.2.- FILTROS 5.2.1.- Filtros Series. 5.2.2.- Filtros Shunt 5.2.3. - Filtros Shunt Pasivos 5.2.3.a. - Filtros Sintonizado Simple 5.2.3.b. - Filtros Pasa Altos FLICKER Y OTROS FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS ELECTROMAGNÉTICOS 6.1. – FLICKER (PARPADEO), DEFINICIONES 6.1.1. Fuentes de los Flickers. 6.1.2. Parámetros de medidas la determinación de parpadeo. Límites de las pruebas 6.2. MEDICIÓN DE FLICKER 6.2.1. Valor Pst y Plt 6.2.2. Requerimiento de las fuentes de alimentación en AC 6.3.- INFLUENCIA DE LA INTERARMÓNICAS 6.4. - FILTRO Y ESPECIFICACIONES

24 24 24 27 27 29 29 30 31 31 33 33 33 34 35 36 36 44 44 45 45 45 45 46 46 51 51

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INTRODUCCIÓN En 1882 fue instalado el primer sistema eléctrico por Thomas Alba Edison, para suministrar energía a la Estación de la calle Pearl en la ciudad de Nueva York. El sistema fue energizado en DC, tres alambres, 220/110 volt, las cargas de las lámparas incandescentes de Edison tenían una potencia total de 30 Kw. En 1885 William Stanley construye el primer transformador laminado de AC, y en los años 1890 la Compañía Westhinhouse realiza las primeras experiencias con eso que se hace llamar “Corriente Alterna CA”. Esto aparentemente tiene muchas ventajas sobre la Corriente Directa.

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Con los transformadores de corriente alterna se puede realizar cambios en los niveles de voltaje y corriente. Los generadores de corriente alterna son más simples. Los motores de AC son simples y más baratos.

Con estas ventajas, los sistemas de corriente alterna se establecen firmemente, pero también a la par aparecen problemas técnicos, se utilizan muchas frecuencias (desde DC, 25, 50, 60, 125,133 Hz hasta los años 1900), sin embargo poco a poco las ventajas económicas hacen estandarizaré estandarizaré a la frecuencia y se adopta adopta básicamente los 50 Hz en Europa y 60 Hz en América, por ser de características más aceptables de acuerdo a las velocidades de las turbinas de vapor que en ese momento se construían (3600 – 1800 r.p.m.) De esta esta forma los sistemas de CA se impusieron sobre los de CD, los cuales en la práctica desaparecen del uso común. En el presente casi 100 años después, el amplio uso de circuitos electrónicos, computadoras, etc. y con el desarrollo del acero, la industria de los servicios, la manufactura, y otras más, la necesidad de más y mejor calidad de energía en sistemas eléctricos ha sido requerida. Entonces el mercado energético se convirtió en un generador importante de la economía y cada día se construyen más y más potentes redes de energía incluso interconectadores en AC y DC, tomando el control del flujo de la energía y niveles de voltaje por medio de centrales convertidoras AC-DC-AC. Para toda esta tecnología de avanzada es necesario de la mejor calidad de la energía, y nuevas fuentes de energía, que a su vez trae nuevos problemas y cambios por resolver por los los ingenieros Eléctricos de Potencia y Control, donde uno de los problemas es tomar el control sobre la Calidad de la Energía Energía (Power Quality) perturbaciones (transientes) y propagación de Armónicas.

¿QUÉ ENTENDEMOS POR CALIDAD DE LA ENERGÍA? (POWER QUALITY) QUALITY) Potencia es mucho más que la derivada de la energía con respecto al tiempo. La medición y análisis de la función de la potencia son de gran importancia tanto para para el proveedor de energía eléctrica como para para el usuario. El proveedor de electricidad entiende esto como la carga de penalidades para altas demandas, pésimos factores de potencia y algunas veces distorsión en la forma de onda. Los usuarios eléctricos usuarios eléctricos por su parte entienden como el suministro de energía dentro de los parámetros contractuales es decir; amplitud y frecuencia determinada, con un porcentaje de error que no afecte sus instalaciones, que cubra por entero sus requerimientos en cuanto a cantidad y por eso comienzan a recobrarse de esto con la incorporación de procesos de control estadísticos y sistemas de producción basados en la calidad. La Energía es generada y convertida en otras formas de energía. La energía fluye en cierta dirección, es almacenada, procesada, disipada, ingresa al s istema a través de una superficie o puerto ya existente. Una multitud de índices de calidad pueden atribuirse o as ociarse a la energía. Por ejemplo el más obvio es la eficiencia del proceso de conversión. El factor de potencia es básicamente la relación entre la energía transmitida sobre la máxima energía que podría ser transmitida bajo condiciones ideales mientras se mantiene las pérdidas de energía en las líneas de transmisión y el voltaje del consumidor incambiable. En lo fundamental, el voltaje ideal es una sinusoide de amplitud y frecuencia constante. Sin embargo en la práctica esta situación no existe en la práctica, necesitamos de la capacidad de medir y calcular, predecir y comparar la imperfección de varios sistemas y establecer límites aceptables en varias aplicaciones.
















1.1.- TRANSITORIOS TRANSITORIOS Él término transitorio se ha utilizado durante mucho tiempo cuando de análisis de las variaciones de sistemas de energía se trata, para denotar un evento momentáneo que es indeseable. La noción de que un pulso oscilatorio transitorio en un circuito RLC es en realidad más probable de lo que la mayoría de los técnicos eléctricos piensen de cuando ellos escuchan la palabra transitorios.















IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com Otra definición de uso muy común es aquella que dice que transciente es “aquella parte del cambio en una variable que desaparece durante una transición desde un estado de condiciones de operación a otro. “ Desafortunadamente, esta definición podría podría usarse para describir justamente cualquier cosa cosa inusual que suceda en el sistema. Los transcientes se pueden clasificar en dos categorías:

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Transitorios Oscilatorias transitorios Impulsivas

1.1.1.- Transitorios Impulsivas Una transitorio impulsiva es un repentino, cambio de frecuencia sin potencia en la condición estable del voltaje, corriente o ambos, que es unidireccional en polaridad (primario uno u otro positivo o negativo) Los transitorios impulsivos se caracterizan normalmente por las veces de su ascenso y descenso las cuales pueden ser reveladas por su contenido espectral. Por ejemplo un ascenso de una transiente impulsiva nominal de 1.2 x 50 micro segundos 2000V desde cero a un valor pico de 2000 V en 1.2 microsegundos, estos decaerán a la mitad del valor pic o en 50 microsegundos. La más común causa de transientes impulsivas es la iluminación. La ilustración a continuación Fig. #1 es una corriente transiente impulsiva causada causada por la iluminación. Figura #1.- Transitorios impulsiva de corriente en el encendido de iluminación

1.1.2.- Transitorios Oscilatoria Un transitorio oscilatorio es un repentino cambio de frecuencia no potente desde la condición de estabilidad de la corriente, voltaje o ambos, que incluyen los valores de polaridad positivos y negativos. En la Figura #2 un ejemplo. Un transitorio oscilatorio consiste de un voltaje o corriente los cuales cambian rápidamente de valor instantáneo en la polaridad. Esto se describe por su contenido espectral (predominantemente frecuencia), duración, y magnitud. Las subclases del contenido espectral se definen en la tabla de alta media y baja frecuencia. Los rangos de frecuencia para estas clasificaciones están cambiando para coincidir con los tipos comunes de fenómenos transientes oscilatorios en los sistemas de potencia. Figura #2.- Ejemplo de una corriente transitoria oscilatoria.

















IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com Los transitorios oscilatorios con un componente de frecuencia primaria tan grande como 500 Khz y una duración típica medida en microsegundos (o algunos ciclos de la frecuencia fundamental) se consideran como transitorios oscilatorios de alta frecuencia. Estas transcientes son a menudo la respuesta resultante de un sistema local a una transciente impulsiva. Es típico que en la conmutación de los capacitores se pueda encontrar las resultantes de las corrientes transitorias oscilatorias en el orden de las decenas de kilohertz como se ilustra en la Figura #3. Figura #3.- Ejemplo de transitorios oscilatoria en la energización de un banco de Capacitores. La conmutación conmutación de conductores resulta en una transciente transciente oscilatorias de voltaje en el mismo campo de frecuencia. Un transciente de media frecuencia puede también ser la resultante de una respuesta del sistema a una transiente impulsiva. Una transciente con una componente de frecuencia de primario menor a 5 khz, y una duración desde 0.3 ms a 50 ms, es considerada como transciente oscilatoria de baja frecuencia. Esta categoría de fenómenos se encuentra comúnmente en múltiples eventos. La más frecuente es la energización de condensadores los cuales típicamente resultan en un transciente oscilatorio de voltaje con una frecuencia de primario entre 300 y 900 Hz. La magnitud pico puede aproximarse a 2.0 pu, pero es típicamente 1.3 – 1.5 pu con una duración de entre 0.5 y 3 cicl os dependiendo del sistema. La Figura #3 muestra un transciente oscilatorio de baja frecuencia causada por la energización de capacitores. Transciente oscilatorio con frecuencia principal menos a 300 Hz. también puede puede encontrarse en los sistemas distribución. Estos son generalmente asociados con energización de transformadores y de la ferroresonancia, como se muestra en la figura #4. . Figura #4.- transitorio oscilatoria de baja frecuencia causada por la ferroresonancia de un transformador

1.2.- VARIACIONES DE VOLTAJE DE CORTA DURACIÓN Esta categoría concuerda con la indicada en la Categoría IEC, de voltajes del tipo DIPS e interrupciones de baja duración. Cada tipo de variaciones pueden designarse como instantáneos, momentáneos o t emporales, dependiendo


















1.2.1.- Sags Un sags es un decrecimiento entre 0.1 pu y 0.9 pu en rms. Del voltaje o corriente a la frecuencia de la red que duraría desde 0.5 ciclos a un minuto. La comunidad de PQ ha usado el término sags por muchos años para describir un decrecimiento de voltaje de corta duración. Por otra parte el término no ha sido formalmente definido. Mas ha tenido una creciente aceptación y uso por los usuarios de utilitarios, manufacturas u usuarios finales. La definición IEC, para este fenómeno es DIP. Los dos términos se consideran intercambiables.

1.2.2.- Swells Un swells es un incremento entre 1.1 y 1.8 pu en voltaje o corriente rms, en un tiempo desde 0.5 ciclo a un minuto. Como con los SAGS, los SWELLS se asocian comúnmente con las condiciones de falla del sistema, pero estos no son tan comunes como los sags. Una forma de los swells puede ocurrir desde una subida de voltaje temporal durante una falla de una fase durante una falla de línea a tierra. Los SWELLS se caracterizan por su magnitud (valor rms) y duración. La severidad de un SWELL de voltaje durante una condición de falla está en función de la localización de la falla, impedancia del sistema y aterramiento. En un sistema mal aterrizado, con una impedancia infinita de secuencia cero, el voltaje de línea a tierra en las fases no aterrizadas será de 1.73 pu durante la condición de falla simple de línea a tierra. Algunos técnicos utilizan el termino sobrevoltaje momentáneo como un sinónimo del termino Swells. Figura #5.- Swell de voltaje instantáneo causados por una falla SLG

1.2.3.- Interrupciones I nterrupciones Una interrupción ocurre cuando el suministro de voltaje o la corriente de carga decrece a menos de 0.1 pu por un período de tiempo que no excede 1 minuto. Las interrupciones pueden ser el resultado de una falla en el sistema de potencia, falla de equipos y mal funciones de control. La Interrupciones son medidas por su duración desde la magnitud de voltaje es siempre menor que el 10% del nominal. La duración de una interrupción debido a una falla en el sistema es determinada por el tiempo de operación en el circuito de protección del sistema. Un recierre instantáneo generalmente limitará la interrupción causada por una falla no permanente menor a los 30 ciclos. El tiempo de recierre de un circuito de protección puede causar una interrupción momentánea o temporal. La duración de una interrupción debido al malfuncionamiento

















IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com Los Bajo y sobre voltajes generalmente no son el resultado e fallas en el sistema, pero son causadas por variaciones en la carga y operaciones de conmutación en el sistema. Tales variaciones son graficadas típicamente como puntos de voltaje rms versus tiempo.

1.3.1.- Sobre voltaje Un sobre voltaje es un incremento en el valor rms del voltaje AC mayor en 110% a la frecuencia del sistema para un tiempo mayor a un minuto. Los sobrevoltajes son comúnmente el resultado de conmutar cargas o energización de bancos de capacitores. El sobrevoltaje es el resultado por que el sistema es tanto como una débil regulación de voltaje deseado o un i nadecuado control de voltaje. Un incorrecto ajuste de taps puede causar un sobrevoltaje en el sistema.

1.3.2.- Bajo voltaje Un bajo voltaje es un decrecimiento en el valor rms del voltaje AC menor al 90% en la frecuencia del sistema por una tiempo mayor a un minuto. Los bajo voltajes son el resultado de lo s eventos contrarios a los que provocan los sobrevoltajes. Una carga conmutada en la desconexión de un banco de condensadores puede causar el bajo voltaje.

1.3.3.- Interrupciones sostenidas Cuando el suministro de voltaje ha sido cero por un período de tiempo que excede un minuto, la variación de voltaje de larga duración se considera una interrupción sostenida. Las interrupciones de voltaje mayores a un minuto son a menudo permanentes y requieren de la intervención humana para reparar el sistema y su restauración.

1.4.- DESBALANCE DE VOLTAJE El Desbalance de voltaje se define algunas veces como la máxima desviación del va lor de la corriente y voltaje trifásico dividido para el valor de la corriente y voltaje trifásico, expresado en porciento. El desbalance también puede definirse usando las componentes simétricas. La relación entre la secuencia negativa o cero y la componente de secuencia positiva puede usarse para especificar el porcentaje de desbalance. La figura muestra un ejemplo de estas dos relaciones en una semana de desbalance en un alimentador residencial. Figura #7.- Desbalance de Voltaje.


















1.5.1.- DC Offset Presencia de voltaje de corriente directa en la línea, puede ser el resultante de perturbaciones geomagnéticas o por efecto de las medias ondas en los sistemas de rectificación. La CD en un sistema de energía alterna puede ser perjudicial en los núcleos de los transformadores ya que pueden llevar a la saturación en la operación normal. Esto causa adicionalmente calentamiento y disminución en la vida de un transformador. La corriente directa puede causar erosión electrolítica de barras de aterramiento y otros conectores.

1.5.2.- Armónicos Son voltajes o corrientes sinusoidales que tienen frecuencia múltiple a la fundamental, esta se originan en cargas no lineales en un sistema de potencia. Las distorsiones armónicas tienen un c ompleto espectro con magnitudes y ángulos de fase de cada componente individual de cada armónica.

1.5.3.- Interarmónica I nterarmónica Son componentes de frecuencias de voltaje y corriente corriente que no son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. La principal fuente de producción de interarmónicos son los convertidores de frecuencia estáticos, ciclo convertidores, motores de inducción. No hay un registro sobre los efectos de las interarmonicas, sin embargo se piensa que afectan a los sistemas de energías llevando señales, e inducen flicker visibles en los circuitos

1.5.4.- Notching Es una perturbación periódica de voltaje causada por la operación normal de circuitos de electrónica de potencia cuando la corriente es conmutada desde una fase a otra. Algunos notching n otching ocurren continuamente y pueden caracterizarse a través de un espectro armónico que afecta al voltaje, sin embargo es a menudo tratado como un caso especial. Durante este período ocurre un momentáneo cortocircuito entre las dos fases llevando el voltaje a cero tanto como la impedancia del sistema lo permite. Figura #8.- Notching en una red trifásica y la distorsión que se ve en la onda.

1.5.5.- Noise (ruido) El ruido se define como señales eléctricas inesperadas dentro de un contenido espectral menor a 200 khz súper puestos a las ondas de corriente o voltaje en las fases conductoras conductoras en los conductores neutros o líneas de señal este ruido puede ser causado por circuitos de control cargas con rectificadores de estado sólido y fuentes de energía conmutada o conmutable. Los problemas de ruido pueden a menudo ser excitados por instalaciones inapropiadas de


















1.6.- FLUCTUACIONES DE VOLTAJE Las fluctuaciones de voltajes son variaciones son sistemáticas del voltaje sobre una serie de cambios inesperados del voltaje, y magnitudes las cuales no exceden normalmente los rangos especificados con ANSI C84.1 DE 0.9PU A 1.1 PU. A continuación en la Tabla #2 presentamos un resumen de términos utilizados en la Norma IEEE1159. Estos términos están siendo homologados con los que aparecen en las normas IEC 61000-1-X (Consideraciones Generales, definiciones y terminología)

RESUMEN DE TÉRMINOS P1159 Categorías

Tipos

Duración típica

Causas comunes

Transientes Variaciones de corta duración Variaciones de larga duración

Oscilatorios, Impulsivos Sags, swells, Interrupciones Bajo y sobre voltaje interrupciones sostenidas

menor de 1 ciclo menor de 1 minuto

Luces y conmutación de cargas Fallas. arranques de motores,

sobre 1 minuto

Regulación pésima de voltaje. Ajuste incorrecto del tap del transf. alimentadores sobrecargados cargas desbalanceadas, falla de equipos cargas electrónicas

Imbalance del voltaje Distorsiones de forma de onda Fluctuaciones de voltaje Variaciones de la frecuencia de la red

estado estable Armónicas, Notching, ruido en el sistema

estado estable estado estable estado estable

cargas accidentales, conexiones perdidas Control de generador pésimo




















ARMÓNICOS Idealmente tanto la tensión en una barra de suministro de energía eléctrica como la corriente resultante deben presentar formas de ondas sinusoidales. En la práctica estas formas de ondas están distorsionadas, expresándos e su desviación con respecto a la forma ideal en términos de distorsión armónica. Este elemento que en 1893 Hartford Conn reporta como problema de calentamiento de un motor, evolucionó con el desarrollo de la corriente AC y fue en reiteradas ocasiones reportado en diferentes diferentes documentos técnicos, hasta que en 1960 la industria reportó problemas debido al gran número de bancos de condensadores que habían sido instalados en los sistemas energéticos, en especial los industriales. Estos problemas no eran otros que los sistemas habían comenzado a tener problemas con la resonancia, en esos momentos se tenía aún poco conocimiento sobre los problemas de la resonancia. Con el uso de la electrónica de potencia, los problemas de resonancia en bancos de condensadores son los nuevos problemas de los ingenieros. De esta manera el vie jo problema retorno tomando nueva forma. armónicos a las ondas de tensión voltaje o corriente cuya frecuencia es mayor a En sistemas eléctricos se denomina armónicos a la frecuencia fundamental de la red (en nuestro caso 60 Hz). Generalmente se presentan varias ondas de diferentes órdenes armónicos a la vez, constituyendo un espectro y da ndo una onda totalmente distorsionada como resultado. Los armónicos se definen habitualmente con los dos datos más importantes que les caracterizan, estos son: Su amplitud; amplitud ; hace referencia al valor de la tensión o de la intensidad del armónico, La amplitud de una armónica es generalmente un pequeño porcentaje de la fundamental. Su orden; orden; hace referencia al valor de su frecuencia referida a la fundamental. Así un armónico de orden 3 tiene una frecuencia tres veces superior a la fundamental, es decir en nuestro caso 3 x 60hz es igual a 180hz. El espectro espectro es la distribución de la amplitud amplitud de varias armónicas como una una función del número de la armónica. A menudo ilustradas en forma de un histograma, como en la figura 2.1 a continuación.



















IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com Yo ; Yn ;  n 

es la componente de corriente directa. es el valor rms de la componente del orden de la armónica. es la frecuencia fundamental es el ángulo de fase de la armónica de orden n cuando t =0.

El valor eficaz de una onda distorsionada se obtiene de la suma de las ondas ondas para todos los órdenes armónicos existentes para dicha onda. Para una cantidad sinusoidal, el valor rms es el valor máximo dividido por la raíz cuadrada. Para una onda distorsionada, bajo condiciones estables, la energía disipada por el efecto de Joule es la suma de la energía disipada por cada uno de los componentes armónicos.

RI 2t  RI 2t  RI 2t  ..... RI n2t 1 2

Eq.2.2

I 2t  I 2t  I 2t  ..... I n2t 1 2

Eq. 2.3

Donde

Despejando la corriente, y si se considera que la resistencia como una constante

I 

n 2  I n n1

Eq. 2.4

El valor rms de una forma de onda distorsionada puede medirse aun directamente por los instrumentos diseñados para medir el valor rms, por medios térmicos o por análisis espectral.

2.1.- EL RADIO DE UNA ARMÓNICA INDIVIDUAL Y LA DISTORSIÓN TOTAL DE ARMÓNICAS (THD) Los radios de las armónicas industriales y la THD THD cuantifican las perturbaciones armónicas presentes en una red de



















IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com Y para este mismo efecto la muy importante CIGRE (Conferencia CIGRE (Conferencia internacional de Grandes Distribuidores Eléctricos) ha tomado ecuación Eq 2.8 como referencias en sus trabajos. En nuestro caso la Distorsión Total de las Armónicas de Voltaje THDv se expresa en donde V n es el valor RMS Eq 2.9:

THD  V n

 2 V

h2

V n

h

100%

Eq 2.9

Dónde: Vh es el valor rms de las componentes individuales armónicas. h es el orden de la armónica. Vn es valor rms de voltaje del sistema. Pero para el caso de la corriente se ha definido por su característica la TDD que es la Distorsión Total de Demanda, definida como Eq. 2.10:

Dónde: Ih es el valor de la componente armónica individual (rms amp). h es el orden de la armónica. IL corriente de carga de demanda máxima (rms amp). Como medida previa a la propuesta de cualquier solución debe conocer por tanto un esquema unifilar de l a instalación, separando en él las cargas en las siguientes categorías:

  

Perturbadoras. Susceptibles Condensadores y otras no afectadas.



















IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com protecciones y para limitar el I/ t en algunos dispositivos electrónicos es necesaria una mínima impedancia de cortocircuito, lo cual exige algunas veces la colocación de reactancias de limitación

2.2.1.- Fuentes de los armónicos En general, no existen propiamente generadores de armónicos pero si máquinas eléctricas y en especial los equipos de electrónica de potencia que son los que producen propiamente los armónicos estos equipos son cargas no lineales que a pesar de ser alimentadas con una tensión sinosuidal absorben una intensidad no s inusoidal. Para simplificar se considera que las cargas no lineales se comportan como fuente de intensidad que inyectan armónicos en la red. Las cargas armónicas no lineales son los que se encuentran en los receptores alimentados por electrónica de potencia los mismos que incluyen:

     

Variadores de velocidad de motores Rectificadores convertidores UPS Fuentes de voltaje para las computadoras personales Balastros electrónicos para lámparas fluorescentes

Otro de tipo de cargas tales como:  Reactancias saturables,  equipos de soldadura, de arco y de punto  hornos de arco,  transformadores de corriente de excitación A continuación en la Tabla #2.1 un resumen de los tipos de cargas y los problemas más comunes [8].




















2.2.2.- Armónicas características en cargas industriales

En cuanto a los armónicos para las cargas industriales en la Tabla#2.3 se indican, las más comunes armónicas que se encuentran en las líneas líneas de consumo industrial y los elementos que que las producen, esta tabla tabla fue traducida de la existente en la norma IEE519, adicionalmente en la misma norma se define que para pequeños pequeños consumidores o consumidores con solo una cantidad limitada de carga perturbada puede aceptarse sin evaluación detallada de las características del generador de armónicas o l a respuesta del sistema de suministro. s uministro. Una primera aproximación para cálculo de “weighted disturbing power - WDP- ” (peso de la perturbación de esta evaluación inicial involucra el cálculo potencia), SDw para caracterizar la cantidad de carga perturbada dentro de las instalaciones del consumidor. El WDP se calcula, por la siguiente expresión:

Dónde: SDi = la rata de potencia para la carga perturbada individual (kVA) Wi = factor de peso para para las cargas perturbadas perturbadas (pu) Si la porción de la totalidad de la carga no lineal no es conocida, puede suponerse que toda la carga es producida con un peso de 1.0.

2.2.3.- Análisis fasorial, de componentes simétricas y fasorial equivalente de las corrientes en diferentes condiciones En la práctica difícilmente podemos encontrar sistemas trifásicos balanceados por lo que se se expondrá a continuación partiendo del análisis de corriente trifásica sinusoidal balanceada a la mayoría de variantes posibles encontradas en sistemas trifásicos.

2.2.3.a.- Análisis fasorial para corriente sinusoidal trifásica balanceada. ia  I  sen t  ib  I  sen t  120º  ic  I  sen t  120º  in

ia ib ic

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IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com Componentes simétricas

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IA  IB  IC 3

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IA  a  IB  a 2  IC 3

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IA  a 2  IB  a  IC

2.2.3.c.- Análisis de la corriente trifásica no sinusoidal balanceada ia   I  sen t    In  senn t  ib   I  sen t  120º    In  senn t  120º  ic   I  sen t  120º    In  senn t  120º  Sí en el caso de n = 3,6,9,12,15, etc. entonces n(t-120º) = n t, n(t + 120º) = n t

ia  I  sen t   In  sen n t  ib   I  sen t  120º    In  senn t  ic   I  sen t  120º    In  senn t  in  ia  ib  ic  3  In  sen(n t )

3

0





















IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com Para la armónica de orden n; si n=3,6,9, etc.

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IA  IB  IC 3

 In

I  

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Sí n=2,5,8 etc.

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si n=4,7,10, etc.

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2.2.3.d.- Análisis de la corriente trifásica no sinusoidal desbalanceada.

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 

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3

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IEPE ILUMINACION ILUMINACION, ELECTRICIDAD Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com A la frecuencia fundamental;

I 0 

IA  IB  IC 3

 0 I  

IA  a  IB  a 2  IC 3

 I I  

IA  a 2  IB  a  IC 3

0

Para la armónica de orden n; Sí n=3,6,9, etc.

I 0 

IA  IB  IC 3

 In

I  

IA  a  IB  a 2  IC 3

0

I  

IA  a 2  IB  a  IC 3

0

Sí n=2,5,8 etc.

I 0 

IA  IB  IC 3

Sí n=4,7,10, etc.

0

I  

IA  a  IB  a 2  IC 3

0

I  

IA  a 2  IB  a  IC 3

 In






















Tabla #2.3. Factores de peso (W i) para diferentes cargas productoras de armónicos Forma de Onda típica Tipo de carga

Distorsión de corriente

Weighting Factor (Wi)

80% (alto 3rd)

2.5

1 0 .

0 5 .

Suministro de energía Monofásico

0 .

0 5 . -

0 1 . 0

0 1

2 0

3 0

T m i e m ( S ) 1 0 .

0 5 .

0 .

Semiconvertidor

alto 2nd,3rd, 4th para cargas parciales

2.5

80%

2.0

0 5 . -

0 1 . 0

0 1

2 0

3 0

T m i e m ( S ) 1 0 .

Convertidor de 6 pulsos, capacitancia de alisamiento, sin inductancia en serie

0 5 .

0 .

0 5 . -

0 1 . 0

0 1

2 0

T m i e m ( S ) . 1 0

3 0






















2.2.4.- Armónicas características de cargas residenciales

A continuación algunos valores característicos de armónicos de corrientes que se dan para instalaciones residenciales. La tabla #2.4 es la indicada en la Norma IEEE 519. Tabla #2.4.- Ejemplos de cargas residenciales y características de las distorsión armónica domésticas.

Type of Loa d Clot hes Dry er S tovet op Refrigerat or #1 Refrigerat or #2 Desktop Computer & Las er P rint er Convent ional Heat P ump #1 C ti lH tP #2

RMS Loa d Curre nt THDi (%)

I 3(%)

I 5(%)

I 7(%)

I 9(%)

25. 3 24. 3 2. 7

4. 6 3. 6 13. 4 10. 4

3. 9 3. 0 9. 2 9. 6

2. 3 1. 8 8. 9 3. 7

0. 3 0. 9 1. 2 0. 8

0. 3 0. 2 0. 6 0. 2

1. 1

140. 0

91.0

75. 2

58. 2

39. 0

10. 6 13 1

8. 0 12 7

6. 8 32

0. 5 07

0. 6























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PRINCIPALES PERTURBACIONES CAUSADAS POR LOS VOLTAJES Y CORRIENTES ARMÓNICOS Las principales armónicas de corriente y voltaje súper puestas puestas en la fundamental tienen efectos combinados en los circuitos conectados a las redes de suministro eléctrico. Los efectos de estas armónicas dependen del tipo de carga a la que se encuentran encuentran e incluye (13.a):

 

La de efectos instantáneos y Los efectos de largo plazo
























3.2.3.- Calor en cables y equipos Se puede considerar que las pérdidas se incrementan en los cables que transportan corrientes armónicas, resultando en el incremento de la temperatura, las causas de las perdidas perdidas adicionales incluyen:  Un incremento en la resistencia aparente del cable con la frecuencia debido al efecto pelicular  Un incremento incremento en las perdidas dieléctricas en el aislamiento con frecuencia si el cable está sujeto a distorsiones distorsiones de voltajes no perceptibles.  Fenómenos relacionados a la proximidad de conductores con respecto a los los metales y a los campos terráqueos en ambos terminales del cable etc. Los cálculos pueden ser realizados como se describe en la norma IEC IEC 287, todos los equipos eléctricos sujetos a voltajes armónicos o a través de los cuales fluyen corrientes armónicas exhiben altas perdidas de energía y deberían























IEPE ILUMINACION INSTALACIONES INSTALACION ES ELECTRICAS Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com La distorsión de la armónica de voltaje es el resultado de la interacción de la armónica de corriente con la impedancia del sistema. La norma IEEE-519 ha propuesto dos formas posibles para controlar los niveles de las armónicas en los sistemas.

 

El usuario final puede limitar la corriente armónica inyectándolas sobre el sistema de energía. El suplidor de energía controlará las distorsiones de los armónicos de voltaje desde la fuente, para estar seguros que las condiciones de resonancia no causarán una excesiva elevación de los niveles de armónicos.

Los niveles de distorsión de armónicos pueden caracterizarse por un completo espectro con magnitudes y ángulos de fase de cada componente armónico individual. También es común usar una cantidad simple como la llamada THD Distorsión Total de Armónicas, como una medida de de la distorsión de la armónica. armónica. Para corrientes, los valores de distorsión pueden referirse a una base constante (ejemplo: el valor de la corriente de carga o demanda de corriente)























IEPE ILUMINACION INSTALACIONES INSTALACION ES ELECTRICAS Y PROYECTOS ELECTRICOS E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com A continuación en la tabla # 8 los límites de los armónicos en las corrientes:
















































IEPE ILUMINACION INSTALACIONES ELECTRICAS Y PROYECTOS ELECTRICOS INSTALACIONES E-MAIL: [email protected] WEB: www.iepeiluminacion.com

































































































































































































































































































































































































































































































Calidad De La Energia: Ing. Diego Armando Rosales Diaz Iepe Iluminacion

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