Curso: TALLER DE MEDIDORES DM9200 DE ENERGÍA ENERGÍA ELÉCTRICA EL ÉCTRICA
Arteche Medición y Tecnología Presentado Presen tado por Alonso Aguirr Aguirree G.
Índice de contenidos [ 1 / 3 ] Teoría de la Medi Medici ción ón q Conceptos básicos de metrología q
Definiciones de potencia y energía q q q
Medición de potencia activa Medición edici ón de potenci a reactiva, reactiva, potencia aparente aparente y factor d e potenci aImágenes. aImágenes. Transformadores de Instrumento.
q Ar A r m ó n i c as. as .
Cali Calidad dad de d e Energ Energía ía q Concepto s de calidad d e la energía energía q Parámetros Parámetros p ara la determinaci ón de la calid calid ad de la energía q Curvas de tol eranci eranci a a las variacion es de tensi tensi ón. q Distorsión de la forma de onda q Ar A r m ó n i c as q Defin Defin ici ón de d e Pará Parámetros metros PQ
Índice de contenidos [ 2 / 3 ] Operación Medidor DM9200 q q
Descripción física del equipo. Navegación por botonera. Software DSCOM
q q q q q q
Iniciando DSCOM Operaciones Ver Opciones Ventana Seleccionar Medidor
Índice de contenidos [ 3 / 3 ] Comunicaciones q Medios Físicos y Protocolos Soportados. q Convertidores. q Configuración General de Comunicaciones. q Configuración de los puertos de comunicación. q Ethernet (TCP/IP Básicos ). q Opción sobre sincronía (IRIG-B, DNP, Propietario, MODBUS). Sistema de Lectura Automatizada de Medidores (smART-LAM). q smART-LAM Editor. q smART-LAM Lector. q smART-LAM Planficador. q Modulo de Calidad de Energía (PQ). q Comunicaciones. q Lectura Automatizada de Medidores. q Actualización de Firmware de Medidor. q Pruebas RollOver contadores DNP.
Conceptos básicos de Metrología [ 1/5 ] La palabra metrología deriva del griego: Metros : Medida y Logos : tratado, concepto que podemos asumir antiguo por los usos, tengo algo , no tengo ninguna . Las anteriores expresiones las podemos valorar como primitivas, pero son fundamentales como comparativas. Metrología es la ciencia de las mediciones y medir es comparar con algo (unidad patrón), que se toma como base de comparación.
Un patrón es una representación confiable de la unidad, bajo ciertas circunstancias o condiciones (humedad, temperatura, presión atmosférica, etc).
Conceptos básicos de Metrología [ 2/5 ] Patrón: Medida materializada, aparato de medición, material de referencia o sistema de medición, destinado a definir, realizar, conservar o reproducir unidades y valores de magnitud para servir de referencia. Los patrones pueden ser internacionales o nacionales.
Existen múltiples patrones ejemplos Patrones Primarios (Mayor grado de exactitud), Secundarios (Basado por comparación en primarios), de referencia (generalmente de la más alta calidad disponibles en organizaciones), de trabajo (utilizados para controlar aparatos de medición o materiales de referencia), y por ultimo de transferencia (empleado como intermediario para comprar patrones entre sí).
Conceptos básicos de Metrología [ 3/5 ]. Medición: Es el conjunto de acciones que tienen por objeto determinar el valor de una magnitud particular.
Procedimiento de Medición: Es la secuencia especifica de operaciones utilizadas para medir determinada magnitud particular, siguiendo un principio establecido y de acuerdo a un método dado.
Instrumento de medición: Aparato destinado a obtener medidas directas que permiten estimar los valores de diversas magnitudes particulares.
Calibración: Conjunto de operaciones que establecen bajo condiciones especificas, la relación entre los valores indicados por un instrumento de medición, o los valores representados por una medida materializada (patrón) y el valor convencionalmente verdadero de la magnitud a medir.
Ajuste:
Operación destinada a llevar un aparato de medición a un funcionamiento de exactitud conveniente para su utilización.
Conceptos básicos de Metrología [ 4/5 ] Resolución : Expresión cuantitativa de la capacidad de
un dispositivo indicador, para permitir distinguir entre los valores inmediatamente adyacentes a la cantidad indicada (la resolución de una bascula es de 1 g.). Exactitud : Es el grado de concordancia entre el resultado de una medida y el valor verdadero de la magnitud medida (concepto cualitativo). Nota: Se debe evitar el uso del termino precisión en el sentido de Exactitud . Error de Medició n : Resultado de una medición menos un valor verdadero del mensurando. Desviación: Valor medido menos su valor de referencia.
Conceptos básicos de Metrología [ 5/5 ] Precisión de un instrumento de medición: Es la
cualidad en un instrumento de medición, caracterizada por repetibilidad, esto es la actitud para dar indicaciones idénticas, en una serie de mediciones de un mismo valor de una magnitud. Error e Incertidumbre: Siempre al medir un mesurado se obtiene sólo una aproximación a su valor verdadero de la magnitud medida. Las razones de esto pueden tener origen en errores de ajuste, cuando el valor entregado difiere de una referencia conocida, también por la histéresis (diferencia entre valores obtenidos al medir de forma ascendente o descendente).
Sistema Internacional de unidades [1/2] Desde 1889, las definiciones de las unidades son establecidas por una Organización Internacional llamada Conferencia General de Pesas y Medidas, que cuenta con representantes de la mayoría de los países del mundo. El
sistema de unidades definido por esta organización, basado en el Sistema Métrico Decimal, se conoce oficialmente desde 1960 como Sistema Internacional de Unidades - SI
Sistema Internacional de unidades [2/2] El lenguaje universal de las m ediciones es el Sistema Internacional de Unidades - SI El SI sirve ahora como la norma estándar para los cálculos de Ingeniería en la mayor parte del mundo. Se entiende por Sistema de Unidades el conjunto sistemático y organizado de unidades adoptado por convención. Es un sistema coherente ya que el producto o el cociente de dos o más de sus magnitudes da como resultado la unidad derivada correspondiente.
Definiciones de potencia y energía Medición de potencia activa v Medición de potencia reactiva, potencia aparente y factor de potenciaI v Transformadores de Instrumento. v Armónicas. v
Definiciones de potencia y energía [ 1/8 ] ü
Energía Eléctrica: Capacidad que tiene un dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo.
ü
La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en Joules (J).
ü
Potencia Eléctrica: Es la energía generada, consumida o transportada cada segundo, y es igual al producto de intensidad de corriente por voltaje. Se mide en Joules/segundo 1 J/Seg equivale a 1 watt de energía eléctrica (W).
ü
La unidad de medida de la potencia eléctrica “ P” es el “ watt ” , y se representa con l a letra “ W” .
Definiciones de potencia y energía [ 2/8 ] POTENCIA ACTIVA (Resistivas): Es la potencia capaz de transformar la energía eléctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía. Se designa con la letra P y se mide en vatios -watt- (W) o kilovatios -kilowatt- (kW). De acuerdo con su expresión, la ley de Ohm y el triángulo de impedancias:
Resultado que indica que la potencia activa se debe a los elementos resistivos.
Definiciones de potencia y energía [ 3/8 ] POTENCIA REACTIVAS (Inductivas): Esta potencia no se consume ni se genera en el sentido estricto (el uso de los términos "potencia reactiva generada" es una convención) y en circuitos lineales sólo aparece cuando existen bobinas o condensadores. La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo y se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios), se mide en voltamperios reactivos (var) y se designa con la letra Q.
Lo que reafirma en que esta potencia se debe únicamente a los elementos reactivos.
Definiciones de potencia y energía [ 4/8 ] POTENCIA APARENTE (Compleja): Esta potencia no es realmente "útil", salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos φ =1), y señala que la red de alimentación de un circuito no sólo ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos, sino que también ha de contarse con la que van a "almacenar" las bobinas y condensadores. Se mide en voltamperios (VA, KVA ó Kaveas) y se designa con la letra S. o
Definiciones de potencia y energía [ 5/8 ]
¿Qué es el factor de potencia?
Es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo. Se define el factor de potencia como:
Definiciones de potencia y energía [ 6/8 ] Transformadores de Instrumentos: Los aparatos de
medida y protección no pueden soportar, por lo general, ni elevadas tensiones ni elevadas corrientes. Por otra parte es conveniente evitar la presencia de elevadas tensiones en aquellos dispositivos que van a estar al alcance de las personas (Capaces de aumentar o disminuir tensión o corriente sin modifi car la potencia). Se dispone de dos tipos fundamentales transformadores de medida y protección: Ø Ø
Transformadores de tensión (100,110,100/3,110/3 V). Transformadores de corriente (5 ó 1 A ).
de
Definiciones de potencia y energía [ 7/8 ] ARMÓNICOS: Los armónicos son distorsiones de las ondas sinusoidales de tensión y/o corriente de los sistemas eléctricos, debido al uso de cargas con impedancia no lineal, a materiales ferromagnéticos, y en general al uso de equipos que necesiten realizar conmutaciones en su operación normal. Los armónicos se definen en términos de su: Ø Amplitud: hace referencia al valor de la tensión o intensidad del armónico, Ø Orden: hace referencia al valor de su frecuencia referido a la fundamental (60 Hz 2rd Orden 120 Hz).
Definiciones de potencia y energía [ 8/8 ] La aparición de corrientes y/o tensiones armónicas en el sistema eléctrico crea problemas tales como: Aumento de pérdidas de potencia activa. q Sobretensiones en los condensadores. q Errores de medición. q Mal funcionamiento de protecciones. q Daño en los aislamientos. q Deterioro de dieléctricos q Disminución de la vida útil de los equipos, entre otros. q
En general, cualquier tipo de carga no lineal conectada al sistema eléctrico causará distorsión armónica.
Calidad de Energía Conceptos de calidad de la energía Parámetros para la determinación de la calidad de la energía Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión. Distorsión de la forma de onda Armónicas Definición de Parámetros PQ Filtrado de armónicas Normas nacionales
Calidad de Energía [ 1/5 ] El requisito fundamental que ha de cumplir todo sistema de suministro eléctrico es lograr la fiabilidad de dicho suministro con los parámetros de calidad de la energía, correspondientes a las normativas existentes. Uno de los aspectos de mas actualidad e importancia en el tema de la calidad de la energía lo constituye la creciente contaminación de la red eléctrica por fuentes distor sionantes de las ondas de voltaje y corriente. El continuado incremento de la presencia de dispositivos de estado sólido en los sistemas de potencia es el principal responsable de dicha con taminación. armónica.
Calidad de Energía [ 2/5 ] Índices de la calidad del suministro Corrientemente, la calidad del suministro eléctrico se evalúa a partir de dos aspectos fundamentales: - La continui dad del servicio. - La calidad de la onda de voltaje. Continuidad del servicio Teóricamente, la continuidad del servicio debe ser máxima, es decir, suministro ininterrumpido. Sin embargo, en la realidad existen interrupciones del suministro. Por ello se han establecido una serie de índices de continuidad que miden la calidad con respecto a la potencia y energía dejadas de servir, el número de interrupciones por año y la duración promedio de estas interrupciones.
Calidad de Energía [ 3/5 ] El término calidad del servicio se ha uti lizado con frecuencia para describir los disturbios que pueden conducir a una mala operación del equipo. La calidad del servicio puede tener distintas definiciones para distinta gente. Para los usuarios con equipo electrónico sensible, la preocupación principal es la distorsión de la forma de onda de la tensión. Para los usuarios industriales con el equipo insensible, la preocupación principal es la continuidad del servicio.
Calidad de Energía [ 4/5 ] Una amplia definición de la calidad del servicio también incluiría el desequilibrio de la tensión en redes poli fásicas, y la selección del dieléctrico del equipo . Con la nueva era de la d esregulación, l as metas de la calidad del servicio también están ampliando la definición de confiabilidad. La mala operación del equipo se puede originar por un amplio espectro de disturbios en el sistema de energía. La tarea de detectar y de identificar estos disturbios no es fácil. Los disturbios en el suministro de la energía eléctrica pueden tener un efecto muy noci vo en el equipo del cliente; muchos de estos efectos son b ien sabidos y documentados.
Calidad de Energía [5/5] Los estándares continuamente actualizados y convertidos para definir, para caracterizar y para evaluar los disturbios, y para proporcionar las medidas para atenuar sus efectos. El estándar IEC 61000-4-30 define power qualtiy como las “ características de la electricidad en un punto dado de una red de energía eléctrica, evaluadas con relación a un conjunto de parámetros técnicos de referencia” . El estándar IEEE 1159-1995 define la calidad d e la energía eléctrica como “ una gran variedad de fenómenos electromagnéticos que caracterizan la tensión y la corriente en un instante dado y en un punto determinado de la red eléctrica” .
Parámetros para la determinación de la calidad de la energía [1/2] En general, la calidad del suministro de energía eléctrica se puede considerar como la combinación de la disponibilidad del suministro eléctrico junto con la calidad de la tensión y la calidad de la corriente suministradas, entendiendo la falta de calidad como la desviación de esas magnitudes de su forma ideal, de forma que cualquier desviación se considera como una perturbación o como una pérdida en su calidad. Las perturbaciones en la energía suministrada de C.A. pueden ser clasificadas como las desviaciones en uno o más de los siguientes parámetros relacionados con el voltaje: - La amplitud - La forma de la onda - La frecuencia - Ángulo de fase
Parámetros para la determinación de la calidad de la energía [2/2] Categorías de Variaciones en la Calidad de la Energía
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [1/9]. La forma recomendada de representar la relación entre las características de funcionamiento de un equipo frente a las variaciones en la tensión de suministro de energía eléctrica, es la utilización de las que se conocen como curvas de tolerancia. Estas curvas, que también se conocen como “ power acceptability curves” , representan la variación de la tensión en una línea, expresada en tanto por ciento de tensión, frente al tiempo de duración de esa variación, normalmente expresado en segundos o en ciclos de la componente fundamental y en escala logarítmica. Estas curvas div iden el plano desviación d e tensión - duración de la desviación en dos regiones denominadas: potencia aceptable y po tencia no aceptable.
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [2/9]. En la descripción del comportamiento de un equipo por medio de las curvas de tolerancia se hace implícitamente una suposición fundamental, y es que una variación de tensión, hueco o sobretensión, se puede caracterizar únicamente por medio de su magnitud y de su duración. Así, desde el punto de vista del equipo en estudio, si dos huecos (o dos sobretensiones) tienen la misma magnitud y la misma duración, ambos producirán el mismo efecto sobre el equipo, esto es, o se produce la desconexión del equipo en ambos casos o esta desconexión no se produce en ningún caso. Como ya hemos visto anteriormente, tanto la magnitud como la duración de este tipo de variaciones de corta duración no tienen una definición única. Además, los saltos de fase que normalmente acompañan a estos tipos de perturbaciones y los desequilibrios en el caso de sistemas trifásicos pueden influir significativamente en el comportamiento de los equipos.
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [3/9]. La primera curva de tolerancia, conocida co mo la curva CBEMA, fue introducida por la Computer Business Equipment Manufacturers Associ ation, representada en la siguiente figura, se puede emplear para evaluar la calidad de la tensión de suministro en relación a los interrupciones, huecos y bajadas de tensión y las sobretensiones. Esta curva se aplicó inicialmente como una guía para ayudar a los miembros de la CBEMA a diseñar las fuentes de alimentación de sus computadores y equipos electrónicos.
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [4/9]. La curva CBEMA muestra la magnitud y duración de las variaciones de tensión en el sistema eléctrico. La línea representada por DV = 0 representa el caso de tensión al valor nominal, mientras que los semiplanos correspondientes a DV < 0 y DV > 0 correspond en a las regiones de tensión inferior y superior respectivamente al valor nominal. La región entre los dos lados de la curva representa la región de tolerancia dentro de la que se espera que los equipos electrónicos funcionen correctamente. Las sobretensiones y las bajadas de tensión de muy corta duración se consideran aceptables, en el sentido de que no producen la desconexión o el mal funcionamiento de los equipos. Esta curva de tolerancia es parte importante del IEEE Std 1346-1998.
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [5/9].
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [6/9]. La curva CBEMA se construyó a partir de datos experimentales y de datos históricos obtenidos de grandes computadores. Estudios posteriores sobre la calidad de la energía eléctrica pusieron de manifiesto qu e había un gran número de eventos en la tensión de alimentación (huecos de tensión fundamentalmente) que no estaban inclu idos dentro de la zona aceptable definida por la curva CBEMA Esto llevó a una revisión de la curva CBEMA que incluyó unos requerimientos mas estrictos para definir la zona de aceptabilidad. Esta curva CBEMA revisada ha sido adoptada por el Information Technology Industry Council (ITIC), se conoce como la curva ITIC y se representa en la siguiente figura.
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [7/9]. La curva ITIC describe la envolv ente (el rango) de la tensión de suministro de corriente alterna que normalmente pueden tolerar, es decir, que no interrumpen su funcionamiento, una mayoría de equipos de electrónicos denominados como equipos de la tecnología de la información. La curva es aplicable solamente para tensiones monofásicas de 120 voltios nominales de valor eficaz y 60 Hz y no está definida para servir como especificación en el diseño de equipos o de sistemas de distribución de corriente alterna. La curva define tanto condiciones estacionarias como transitorias y su utilización para otras tensiones nominales y para otras frecuenci as no está específicamente considerada.
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [8/9].
Curvas de tolerancia a las variaciones de tensión [9/9]. Fuera de esta región de tolerancia se definen dos regiones desfavorables. La región de funcionamiento sin deterioro, inclu ye huecos e interrupciones de tensión más severas que las especificadas anteriormente y que aplican tensiones inferiores al límite mínimo de la tolerancia en el estado estacionario. En esta región no se espera que los equipos funcionen correctamente, pero, en cambio, no es de esperar ningún daño sobre ellos. En la región restante, denominada región prohibida, incluye sobretensiones que superan el límite superior de la curva y es una región a evitar, ya que si se somete a los equipo s a tensiones con estas condiciones se puede esperar que se produzca su avería.
Distorsión de Forma de Onda [1/17]. Las señales de voltaje y corriente de los sistemas eléctricos de potencia son por lo general periódicas y, en condiciones ideales, son sinusoidales, sin embargo, en la mayoría de los casos están distorsionadas debido a : Offset de corriente directa Armónicas Interarmónicas Ruidos
Distorsión de Forma de Onda [2/17]. Offset de corriente directa Causado principalmente por: Presencia de corriente o voltaje de CD Rectificación de media onda Consecuencias: Provoca detrimento en núcleos de los transformadores (saturación en operación normal) Calentamiento adicional y reducción en la vida del transformador
Distorsión de Forma de Onda [3/17]. Armónicas Un sistema eléctrico ideal debe proporcionar un voltaje con las siguientes características: - Amplitud constante - Forma de onda sinusoidal - Frecuencia constante - Simetría en el caso d e red trifásica Bajo estas condiciones, las máquinas y equipos eléctricos conectado s a este sistema no debieran presentar un comportamiento anormal y deberían funcionar tal como se espera en su diseño. Sin embargo, un sistema eléctrico real no cumple con las características ideales mencionadas anteriormente.
Distorsión de Forma de Onda [4/17]. Armónicas El origen del problema está en la presencia de cargas no lineales dentro del sistema eléctrico, tal como se observa en la siguiente figura.
Distorsión de Forma de Onda [5/17]. Efectos de las cargas no lineales en una instalación
Distorsión de Forma de Onda [6/17]. La presencia de armónicos en las redes de potencia se debe fundamentalmente a la existencia de cargas nolineales en el sistema. Un receptor o carga se dice que es lineal cuando la tensión aplicada a sus terminales y la corriente que circula por el se relacionan por un factor constante (real o complejo). R
V
100 80 60 40 20
V
I
0 -20 -40 -60 -80 -100
0
1
2
3
4
5
6
Distorsión de Forma de Onda [7/17].
Un receptor o carga es no-lineal cuando su relación tensió ncorriente no es constante. 100
V
80 60 40 20
V
I
0 -20 -40 -60 -80 -100
0
1
2
3
4
5
6
Distorsión de Forma de Onda [8/17].
Las cargas no-lineales conectadas a la red absorben corrientes no sinusoidales, las que producen caídas de tensión y por lo tanto distorsionan el voltaje en los distintos nodos de la red. De esta manera, la existencia de voltajes distorsionados en otros puntos, provoca la circulación de corrientes de armónicos en las restantes cargas lineales y se produce de esta manera la propagación de los armónicos producidos por las cargas no-lineales a toda la red y sus cargas.
Distorsión de Forma de Onda [9/17]. Como ejemplos más típicos de cargas no-lineales se pueden citar: Convertidores estáticos (rectificadores, variadores de velocidad, arrancadores, etc.). v Equipos electrónicos monofásicos de corriente directa (TV, PC, impresoras, etc.). v Hornos de arco eléctrico y equipos de soldadura. v Transformadores y reactancias de núcleo de hierro. v Instalaciones de iluminación con lámparas de descarga. v
Distorsión de Forma de Onda [10/17]. El incremento del uso de cargas no lineales en los sistemas eléctricos, debido principalmente al auge de la electrónica de potencia, ha permitido un uso más eficiente de la energía eléctrica, haciendo más productivos los procesos industriales. Sin embargo, también se ha provocado una situación problemática, a veces grave, donde las corrientes armónicas generadas por los propios equipos electrónicos distorsionan la onda de corriente sinusoidal original y perturban la operación de estos mismos equipos provocando, además, calentamiento excesivo y pérdidas de energía en máquinas eléctricas, conductores y además equipos del sistema eléctrico.
Distorsión de Forma de Onda [11/17]. Armónicas
Señales de frecuencia y amplitud diferentes a las de operación del sistema (60 ó 50 Hz), Esas componentes de frecuencia son conocidas como armónicas y sus frecuencias son múltiplos y submúltiplos enteros de la frecuencia de operación del sistema eléctrico .
Distorsión de Forma de Onda [12/17]. Onda senoidal a la frecuencia fundamental y armónicas
Distorsión de Forma de Onda [13/17]. Componentes de Frecuencia de una señal distorsionada.
Distorsión de Forma de Onda [14/17]. Distorsión por Armónicos 200 150
Resultante Fundamental
100
) % ( e j a t l o V
5to
3ero
50 0 -50
-100 -150 -200
0
0.005
0.01
0.015 0.02 Tiempo (s)
0.025
0.03
Distorsión de Forma de Onda [15/17]. Interarmónicas
Son Señales de frecuencia y amplitud diferentes a las de operación del sistema (60 ó 50 Hz) y no son un múltiplos entero de la misma, esas componentes de frecuencia son conocidas como Interarmónicas IEC 610000/2/1. Fuentes: Cargas productoras de arco eléctrico. v Dispositivos de accionamiento electrónico de carga variable. v Convertidores estáticos, en particular los convertidores de frecuencia directos o indirectos. vControles de modulación. v
Distorsión de Forma de Onda [16/17]. Efectos de la presenci a de Interarmóni cas
Efectos térmicos. v Oscilaciones de baja frecuencia en sistemas mecánicos. v Convertidores estáticos, en particular los convertidores de frecuencia directos o indirectos. en el funcionamiento de equipos v Perturbaciones electrónicos y lámparas fluorescentes. v
Distorsión de Forma de Onda [17/17]. Ruido Señal eléctrica indeseable con contenido espectral menor de 200 kHz superpuesta sobre el voltaje del sistema de potencia o sobre las corrientes en los conductores de fase o neutro. Causas: Dispositivos electrónicos Circuitos de control Equipos que producen arcos Cargas con rectificadores de estado sólido
Armónicas [1/16]. Flujo de potencia armónica producida por una carga no lineal Potencia
Fuente
armónica
Carga
Carga no
lineal
lineal
Armónicas [2/16]. La distorsión armónica en sistemas eléctricos de potencia puede tener diversas causas, una de las cuales son las cargas no lineales (equipos electrónicos, rectificador de señales, generador de señales cuadradas, etc.). Generalmente la carga consume la potencia generada a frecuencia fundamental, sin embargo cuando se trata de cargas no lineales, pasa a ser el generador de armónicas, distorsionando las señales del sistema.
Armónicas [3/16]. Fuentes emisoras de corrientes armónicas en plantas industriales sistema. La norma IEEE 519 –1992, relativa a “ prácticas recomendadas y requerimientos para el control de armónicas en sistemas eléctricos de pot encia agrupa a las fuentes emisoras de corrient es armónicas en tres categorías diferentes: 1. Dispositivos electrónicos de potencia (convertidores CA-CD, variadores de velocidad, rectificadores, etc.). 2. Dispositivos productores de arcos eléctricos (hornos de arco, luz fluorescente, máquinas soldadoras, etc.). 3. Dispositivos ferromagnéticos (transformadores, etc.). A estas tres categorías podemos agregar una cuarta 4. Motores eléctricos que mueven cargas de par torsor bruscamente variable (molinos de laminación, trituradores, etc.).
Armónicas [4/16]. Fuentes emisoras de corrientes armónicas mas comunes en plantas industriales: a) Motores de corriente directa. b) Convertidores de frecuencia (variadores). c) Tractor rectificadores (en procesos químicos). d) Reactores controlados (compensadores estáticos).
por
e) Interruptores gobernador por tiristores. f) Hornos de arco.
tiristores
Armónicas [5/16]. Fuentes emisoras de corrientes comunes en plantas industriales: g) Equipo de soldadura. h) Transformadores sobreexcitados. i) Molinos de laminación. j) Molinos trituradores. k) En general, cargas no lin eales
armónicas
mas
Armónicas [6/16]. Fuentes emisoras de corrientes armónicas mas comunes en plantas industriales: Grandes convertidores de potencia (MW+) - Utilizados en la industria de fundición de metales y en sistemas de transmisión de HVDC. - En convertidores de potencia de k pulsos de rectificación: Existen armónicas de orden 6k ±1 para valores enteros de "k". Las armónicas de orden 6k+l son de secuencia positiva. Las armónicas de orden 6k-1 son de secuencia negativa La amplitud teórica de las corrientes armónicas se puede expresar como: Ih= I1 /h, donde I1 es la corriente de frecuencia fundamental y h el orden de la armónica.
Arm Ar m ó n i c as [ 7/16] 7/16].. Ar m ó n i c as i n d i vi Arm vid d u al ales es g en ener erad adas as p o r u n r ec ectt i f i c ad ado o r de de 6 pulsos
h = n ´ p m 1 h = 1´ 6 m 1 h = 2´ 6 m1 h = 3´ 6 m 1 h = 4´6 m1
Orden armónico 5, 7 11, 13 17, 19 23, 25
Arm Ar m ó n i c as [ 8/16] 8/16].. Fuentes futuras futu ras de Armó Armónic nicas as a) Autos eléctr eléctrico icos. s. - Carg Carga a de baterías b) Dispo Dispositiv sitivos os de la conv ersión directa di recta de energí energía a - Batería Bateríass de almacenamiento almacenamiento y c eldas de comb ustib us tible le c) Cicloconv ertidores. -Utilizados para máquinas de baja velocidad veloci dad y alto p ar d) Fuente Fuentess no n o convencionale conv encionaless de potencia po tencia - Eól Eólic ica, a, solar, so lar, etc
Arm Ar m ó n i c as [ 9/16] 9/16].. Otras clase cl asess de Armó Armónic nicas as - Inter-armón Inter-armónicas icas Son las frecuencias armónicas que no son múltiplos integrales de la frecuencia fundamental (una fuente principal de interarmónicas rmón icas son los ciclocon cicl oconvertidores) vertidores) - Subarmónicas Subarmón icas Son de frecuencias menores de la fundamental (el parpadeo d el al umb umb rado rado es u na i ndic ndica aci ció ó n d e la p rese resen n ci cia a de Subarmónicas, también los hornos de arco son fuentes de esta clase de armó armónic nicas) as)..
Armónicas [10/16]. Problemas producidos por los armónicos Ø Problemas causados por corrientes armónicas.
Sobre carga de los conductores neutros. Ø Sobre calentamiento de los trasformadores. Ø Disparos intempestivos de los interruptores automáticos. Ø Sobrecarga de los condensadores de corrección de Fp. Ø Problemas causados por tensiones armónicas. Ø Distorsión de tensión. Ø Ruido de paso por cero. Ø
Armónicas [11/16]. Problemas producidos por los armónicos (Resonancia) -
Las condiciones resonantes son los factores más importantes que afectan los niveles armónicos en el sistema de potencia. Fundamentalmente, la interacción de los capacitores de corrección de F.P. con los elementos inductivos de la red. Este fenómeno puede dar lugar a: - Daños a bancos de capacitores - Operación frecuente de fusibles de los bancos - Daño al dieléctrico de los cables
Armónicas [12/16]. Compensación individual en transformador. Resonancia La frecuencia resonante se puede calcular con la siguiente fórmula : f = fp
P sc Pc
f = frecuencia resonante fp = frecuencia de la red Psc = potencia de cortocircuito del transformador (kVA) Pc = potencia del capacitor (kVAR) Si la frecuencia obtenida está muy cercana a una del armónicas dañinas, la capacidad del banco de capacitores debe ser modificada. Frecuencias armónicas más comúnes, 3rd, 5th, 7th, etc...
Armónicas [13/16]. Distribuci ón de las corrientes armónicas en las redes eléctricas
Cuando existen en una red eléctrica fuentes emisoras de corrientes armónicas de potencia significativa significativa, se llegan a producir grandes flujos de este tipo de corrientes a través de la misma, que en primera instancia, ocasionan los mismos inconvenientes y perjuicios de las corrientes reactivas a frecuencia fundamental responsables del bajo factor de potencia. Adicionalmente, pueden producir otra serie de problemas graves. El análisis de estos flujos de corriente se efectúa aplicando las Leyes de Kirchhoff para cada componente armónica existente en la red y tomando en cuenta la variación de impedancia a diferentes frecuencias de los elementos componentes de la misma.
Armónicas [14/16]. Efecto de las Armónicas Problemas de funcionamiento en dispositivos electrónicos de regulación, tanto de potencia como de contr ol. Mal funcionamiento en dispositivos electrónicos de protección y medición. Interferencias en sistemas de telecomunicación y telemando. Provocan pares de rotación inversa en motores eléctricos. Quema de tarjetas en dispositivos electrónicos. Sobrecalentamiento de los equipos eléctricos (motores, transformadores, generadores, etc.) y el cableado de potencia con la disminución consecuente de vida media en los mismos e incremento considerable de pérdidas de energía en forma de calor.
Armónicas [15/16]. Efecto de las Armónicas Fallo de capacitores de potencia. Efectos de resonancia que amplifican los problemas mencionados anteriormente y pueden provocar incidentes eléctricos, mal funcionamiento y fallos destructivos de equipos de potencia. Problemas de funcionamiento en dispositivos electrónicos tanto de potencia como de control i(t)
t
Existen muchos sistemas electrónicos de medición, de protección y de control en cuya operación es esencial la detección
Armónicas [16/16]. Efecto de las Armónicas - Sobrecorrientes en los capacitores de potencia. Los capacitores de potencia conectados a una red conteniendo corrientes armónic as tienden a tomar sobrecorrientes signif icativas, debido a la baja impedancia que muestra un capacitor al ser alimentado con ondas de tensión de alta frecuencia
- Además el flujo de corrientes armónicas en los sistemas eléctricos pueden provocar Falla de fusibles. Disparos, sin causa aparente, de interruptores termomagnéticos. Bloqueo de PLC’s, robots y equipo electrónico sensible. Quema de tarjetas electrón icas en drives. Interferencias y ruido en equipos de comunicación y telemando
Definición de Parámetros PQ [1/30]. Transitorios: Evento indeseable de naturaleza momentánea. Transitorios impulsivos: Cambios súbitos de la señal sin cambios de frecuencia y con una sola polaridad. Son elevaciones brusca con decaimiento en el tiempo. Pueden excitar la frecuencia natural de los circuitos del sistema de potencia y provocar transitorios oscilatorios . Transitorios oscilatorios: Cambios súbitos sin cambios de frecuencia de la señal y con cambios de polaridad. Frecuencia alta: Mayor de 500 kHz y duración de microsegundos. Frecuencia media: Entre 5-500 kHz y duración de microsegundos. Baja frecuencia: Menor de 5 kHz duración entre 0.3 - 50 milisegundos.
Definición de Parámetros PQ [2/30].
Las depresiones de voltaje (SAGs) son disminuciones de amplitud en la señal de voltaje. La detección de los SAGs incluye el nivel de variación de la amplitud y los tiempos mínimo y máximo entre los cuales debe mantenerse la amplitud del voltaje por debajo del nivel de variación para que se considere que ha ocurrido un SAG.
Definición de Parámetros PQ [3/30]. Hueco de Tensión 200 150 100 Profundidad del hueco (1-90%) 50 e j a t l o V
0 -50 -100
Duración del hueco (10 ms - 60 s)
-150 -200
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1 Tiempo
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Definición de Parámetros PQ [4/30]. Represen tación de SAGs 125
120
) V ( e j a t l o v l e d n ó i c a i r a V
115
110
105
100
95
90 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Tiempo en segs
Causas Fallas. Arranque de motores grandes. Conexión de cargas. Impedancia de distribución alta en el punto de util ización.
23
25
27
29
Definición de Parámetros PQ [5/30]. Los SAG/s en las normas internacionales se considera que ha ocurrido un SAG cuando la variación de la amplitud del voltaje está en el rango del 10 al 90 % del valor nominal (IEEE Std 11591995). La norma internacional IEEE STd 1159-1995 clasifica a los eventos de SAGs según su duración en: - Instantáneos: Entre 0.5 y 30 ciclos . - Momentáneos : Entre 30 ciclos y 3 segundos. - Temporales: Entre 3 segundos y 1 minuto.
Definición de Parámetros PQ [6/30]. Las fluctuaciones de tensión consisten en variaciones rápidas de la tensión entre dos niveles contiguos que se mantienen por un período de tiempo superior a 30 ms. La duración d e la fluctuación está entre 30 ms y 10 seg, y el valor de la variación de la tensión se mantiene generalmente entre el ± 10% del valor nominal, recomendándose un límit e permisible de un ± 5%. Las fluctuaciones de tensión son provocadas por variaciones periódicas o serie de cambios bruscos de la carga (arranque y parada de motores, motores con carga discontinua, chornos de arco eléctrico, etc). Las mismas pueden aparecer de manera aleatoria o cíclica, siendo un caso particular las que provocan el fenómeno de flicker o parpadeo de las luces.
Definición de Parámetros PQ [7/30]. Fluctuac ión cíclica de la Tensión 200 150 (Vmax-Vmin)/V%
100
) % ( e j a t l o V
50 0 -50
-100 f = 10 Hz
-150 -200
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1 0.12 Tiempo (s)
0.14
0.16
0.18
0.2
Definición de Parámetros PQ [8/30]. Las interrupciones del suministro se producen cuando la tensión cae bruscamente por debajo del 1% del voltaje nominal. Se clasifican como breves las interrupciones de duración entre 10 ms y 1 min, y de las mismas el 70% consisten en micro-cortés de duración inferior a un segundo. El número esperado de interrupciones breves en el año varía de algunas decenas a varias centenas.
Definición de Parámetros PQ [9/30]. Interrupción breve de Tensión 200 150 100
) % ( e j a t l o V
50 Amplitud (0 - 1%) 0 -50 Duración de la interrupción (10 ms - 60 s)
-100 -150 -200
0
0.02
0.04
0.06
0.08 0.1 0.12 Tiempo (s)
0.14
0.16
0.18
0.2
Definición de Parámetros PQ [10/30]. Los incrementos de voltaje (SWELL) son incrementos de amplitud en la señal de voltaje. La detección de los SWELL incluye el nivel de variación de la amplitud y los tiempos mínimo y máximo entre los cuales debe mantenerse la amplitud del voltaje por encima del nivel de variación para que se consid ere que ha ocurrido un SWELL.
Definición de Parámetros PQ [11/30]. Sobretensión Temporal 200 150 Sobretensión > 10% 100
) % ( e j a t l o V
50 0 -50
-100 -150 Duración (10 ms - 60 s) -200
0
0.02
0.04
0.06
0.08 0.1 0.12 Tiempo (s)
0.14
0.16
0.18
0.2
Definición de Parámetros PQ [12/30]. Represe ntación de SWELLs 145
140
Nivel Programado
135 ) V ( e 130 j a t l o v l 125 e d n ó i c 120 a i r a V
Inicio SWELL Inicio SWELL
Fin SWELL
Fin SWELL Voltaje nominal
115
110
105 1
3
5
7
9
11
13
15
17
Tiempo en segs
19
21
23
25
27
29
Definición de Parámetros PQ [13/30]. Según las normas internacionales un SWELL es definido como un incremento entre 1.1 pu y 1.8 pu del voltaje rms n ominal (IEEE Std 1159-1995). La norma internacional IEEE STd 1159-1995 clasifica a los eventos de SWELL según su duración en: - Instantáneos:
Entre 0.5 y 30 ciclos.
- Momentáneos : Entre 30 ciclos y 3 segundos. - Temporales:
Entre 3 segundos y 1 minuto.
Defifini De nici ción ón de Parámetr Parámetros os PQ [14/ [14/30 30]. ]. Bajo Voltaje Magni Magnitud tud : Menor Menor del d el 90% 90% del valor nomi n ominal nal Duración Duración : May Mayor or de un minuto. Causas: Circuitos sobrecargados sobrecargados Entrada de carga Desco Desconexión nexión d e bancos d e capacitores. capacitor es.
Defifini De nici ción ón de Parámetr Parámetros os PQ [15/ [15/30 30]. ]. Altt o Vo l t aj Al aje e Magni Magnitud tud : Mayor del 90% del valor no minal min al Duración Duración : May Mayor or de un minuto. Causas: Desco Desconexión nexión de carga. Conexión de un banco de capacito capacitores. res. Sistemas de regulación regulació n o de contro l de voltaje inadecuados inadecuados.. Tap de transform adores in adecuado. adecuado.
Defifini De nici ción ón de Parámetr Parámetros os PQ [16/ [16/30 30]. ]. El efecto fecto más más importante asociado asociado a los huecos huecos de tensión, las las sobretensiones temporales y las interrupciones de la tensión de suministro es la desconexión o el mal funcionamiento de los equipos. En m u cho cho s p r o ces ces os i n d ust ust r i al es c on c arga rgas c r ít i c as , variaciones variaciones mu y cortas cor tas de tensión, inclu so instantáne i nstantáneas, as, pueden pueden producir la desconexión de los equipos de control que luego necesitan horas para su reiniciación. En este tipo de procesos, las variaciones de corta duración producen el mismo efecto efecto perjudicial perjudicial que las perturbacione perturbacioness de larga duración.
Definición de Parámetros PQ [17/30]. Las interrupciones de tensión, incluso las instantáneas, también pueden producir el mal funcionamiento o la desconexión de equipos electrónicos o de los equipos de iluminación. Las interrupciones momentáneas o temporales producen casi siempre la parada de los controladores electrónicos, el mal funcionamiento de las fuentes de alimentación, computadores, equipos de control de máquinas eléctricas y pueden producir también la desconexión de contactores en moto res de inducción. Los huecos de tensión también producen numerosos fallos en los equipos conectados a la red, dependiendo de la magnitud y duración de estos huecos y de la sensibilidad de los equipos a las variaciones de la tensión. Equipos electrónicos con baterías de emergencia no se ven afectados, en general, por este tipo de variaciones de corta duración.
Definición de Parámetros PQ [18/30]. Distorsión total armónica (THD): Representa la proporción de las armónicas con respecto a la componente de frecuencia fundamental. Para una señal de volt aje se expresa como:
V 2 + V 3 + L + V n 2
THD =
2
2
V 1
donde: V1 representa el valor eficaz de la componente fundamental del voltaje V2, V3, . . ., Vn representan los valores eficaces de las armónicas segunda, tercera, y hasta la enésima componente del voltaje.
Definición de Parámetros PQ [19/30]. Factor de distorsión (Fd): Representa la contribución de la comp onente fundamental en el valor RMS total. Para una señal de voltaje se expresa como:
Fd =
V 1 V rms
donde: V1 representa el valor efic az de la compon ente fundamental del voltaje Vrms es el valor rms total del voltaje.
Definición de Parámetros PQ [20/30]. Factor de cresta (Fc). El factor de cresta es utilizado para proporcionar una idea de que tan cuadrada o puntiaguda puede estar la forma de onda de una señal. Para una señal de volt aje se expresa como:
Fc
=
V max V rms
donde: Vmax es el valor máximo y Vrms es el valor rm s total del voltaje.
Definición de Parámetros PQ [21/30]. Definición de Parámetros de Potencias El valor rms verdadero (o valor eficaz) toma en cuenta la contribución de todas las componentes armónicas presentes en la señal. Así, los valores rms para voltaje y corriente están dados por las expresiones:
V rms = V 12 + V 22 + L + V N 2 I rms = I 12 + I 22 + L + I n2
Definición de Parámetros PQ [22/30]. - Potencia aparente Esta potencia se define como el producto de los valores rms de voltaje y corriente: U = V rms I rms = V 12 + V 22 + L + V N 2 * I 12 + I 22 + ... + I n2
- Potencia activa Es producida por la interacción de componentes de frecuencia del mismo orden de voltaje y de corriente, afectada por el coseno del ángulo existente entre ambas componentes: P = V 1 I 1 cos j 1 + V 2 I 2 cos j 2 + L + V n I n cos j n
Definición de Parámetros PQ [23/30]. - Potencia reactiva Es producida por la interacción de compo nentes de frecuencia del mismo orden de voltaje y de corriente, afectada por el seno del ángulo existente entre ambas componentes: Q = V 1 I 1 sen j 1 + V 2 I 2 sen j 2 + L + V n I n sen j n
- Potencia fasorial Fasor que tiene como parte real a la potencia activa y como parte imaginaria a la potencia reactiva: S=
P2 + Q2
Definición de Parámetros PQ [24/30]. - Potencia de distorsión (D) Cuando existen armónicas de cierto orden en una señal y no se encuentran en la otra, o que la proporción armónica es diferente en una señal con respecto a la otra, aparece una diferencia entre las magnitud es de la potencia aparente (U) y la potencia fasorial (S), estableciendo que U > S. Esta diferencia se conoce como potencia de distorsión (D), y se puede obtener utilizando la expresión: D =
U 2 - S 2 =
(
U 2 - P 2 + Q 2
)
Definición de Parámetros PQ [25/30]. Definiciones del Factor de Potencia El factor de potencia se define como la relación de potencia activa entre la potencia aparente:
Fp =
P U
Existen distintas definiciones de la potencia aparente, lo que genera diferentes variantes de factores de potencia, los cuales se resumen a continuación:
Definición de Parámetros PQ [26/30].
Factor de potencia eficaz:
Factor de potencia vectorial:
Factor de potencia fasorial:
FP E = FPV = FPF =
P U E P U V P U F
Definición de Parámetros PQ [27/30]. En el caso ideal, en que no existen armónicas, las tres expresiones proporcionan el mismo valor, sin embargo en presencia de armónicas, para cada fase, se cumple que: FPE = FPV < FPF Pero para el caso trifásico: FPE < FPV < FPF Por lo que se establece que para tomar en cuenta el efecto de las armónicas sobre el factor de potencia hay que utilizar el factor de potencia eficaz.
Definición de Parámetros PQ [28/30]. Efecto de las Armónicas sobre el Factor de Potencia Considerando que el voltaje tiene una forma de onda sinusoide pura, y que la c orriente está disto rsionada, la potencia activa P y la potencia aparente eficaz UE se obtienen como:
U E = V rms I rms
P = V 1 * I 1 cosj 1
Entonces el factor de potencia estaría dado por
FP E =
P U E
=
V 1 * I 1 * cos j 1 V 1 I rms
=
I 1 I rms
cos j 1
Definición de Parámetros PQ [29/30]. Sustituyendo se obtiene:
FP E = Fd I * cos j 1 Entonces en presencia de armónicas el factor de potencia no podrá ser mejorado por valores encima del factor de dist orsión de corrientes. Si no se toma en cuenta este límite, cuando s e quiera mejorar el factor de p otencia por medio de bancos de capacitores, se pueden provocar problemas de sobrevoltaje en los horarios de baja demanda.
Definición de Parámetros PQ [30/30]. La Norma IEEE 519 recomienda que los índices de distorsión armónica se obtengan a través de mediciones durante periodos de 20-30 minutos, lo cual garantiza que se cubran los periodos de máxima demanda. El proceso exige que tanto los equipos de registro como los transductores que se utilicen para las mediciones cumplan con ciertas características que aseguren que se van a obtener resultados que sean una representación fiel de las formas de onda que se tienen en la instalación.
Medidas correctivas para el flujo de corrientes armónicas Las medidas correctiv as que se vienen aplicando con éxito para resolver o minimizar este tipo de problemas. Son básicamente de tres tipos: Medidas que tienden a bloquear el paso de las cor rientes armónicas hacia equipos especialmente sensibles, quedando éstos pro tegidos de la influencia de las mismas, aunque las armónicas sigan circulando por el resto de la red. Medidas que tienden a bloquear y/o absorber las corrientes armónicas, confinándolas a circular por zonas limitadas de la red, preferentemente circun scritas a los focos emisores de las mismas. Medidas tendientes a sobredimensio nar, recurri endo incl uso a diseño especiales, los equipos y conductores sometidos al flujo de corrientes armónicas, con objeto de minimi zar los efectos nocivos provocados en los mismo s (transformadores tipo K).
Medidas correctivas para el flujo de corrientes armónicas Filtros de rechazo de corrientes armónicas (desintonizados). * Filtro de absorción (Sintonizados). * Filtros activos (Electrónicos). Bloqueo de corrientes armónicas de secuencia cero con transformadores estrella – delta. * Se les denomina filtros pasivos.
Medidas correctivas para el flujo de corrientes armónicas Bloqueo de corrientes armónicas con transformadores de aislamiento. Bloqueo con transformadores zig – zag. Sobredimensionado de la ampacidad del hilo del neutro. Bloqueo de 5a y 7a armónicas. Uso de transformadores tipo K, etc.
Configuración de los filtros de armónicas (pasivos) La configuración elemental de los filtros pasivos esta dada por un circuito en serie con una inductancia (Reactor) y con una capacitancia (Capacitor).
L
C
Comportamiento de una Inductancia X L = w L Z L = R L + jX L Z L = R L2 + X L2 L
Respuesta en frecuencia
RL
Circuito equivalente
RL XL |ZL|
| L Z |
w
Comportamiento de una Capacitancia X C = 1 w C Z C = RS - jX C Z C = R + X 2 S
RS
Respu esta en frecuencia
C
Circuito equivalente
2 C
RS
| C Z |
XC |ZC|
w
Circuito resonante serie R E = RS + R L Z = R E + j ( X L - X C ) Z = R + ( X L - X C )
2
2 E
RE
Respuesta en frecu encia
L
RL C
XL
| Z |
XC |Z|
Circuito equivalente
w
Circuito resonante paralelo ( R L + jX L )( RS - jX C ) Z = R L + RS + j ( X L - X C ) RL
Respuesta en frecuencia RS
L
C
RL XL
| Z |
XC |Z| |Z|
Circuito equivalente w
Dispos ispositi itivos vos de comp compe ensación Los Los disp dispos osit itiv ivos os enca ncarga rgados dos de elimin limina ar o atenu tenua ar las las comp compon one ente ntes de corr corrie ient nte e cuy cuyo valo valorr de fre frecue cuencia ncia es indeseable se denominan filtros denominan filtros de armónicos armónicos.. Los filtros de armónicos en dependencia del método que emplean para atenuar atenuar o eliminar elim inar las corr ientes armón armónicas icas se clasifi can en: en: Filtros de absorci bsorción ón: Impl Imple ementa mentado do por un circui circuito to cuya cuya finalidad fin alidad es es lograr lo grar un camino camin o de baja impedanci impedancia a que permi permita ta canalizar las corrientes armónicas evitando que lleguen al receptor. Filt iltros ros de re recha chazzo: Imp Imple leme ment nta ado por por un ci circ rcui uito to cuya cuya finalid finalida ad es limita limitarr el paso paso de las las corrie corriente ntess armónic rmónica as creándoles un camino de alta impedancia.
Filtr iltros os de absorc absorción ión Estos dispositiv dispositivos os están stán forma formados por asocia sociaciones ciones RLC, RLC, conectados en p aralelo aralelo con c on el receptor receptor a protege prot eger, r, que que entra ntran n en reso resona nanc ncia ia para para la fre frecue cuencia ncia del del armónico que se desea eliminar, presentando en dichas condiciones una impedancia mínima, prácticamente un cortocircuito cortoc ircuito,, por donde d onde circul ará la corriente armónica, armónica, evitándose de esta manera la circulación de la misma por el receptor. Estos stos son son may mayorme orment nte e util utiliz iza ados dos en apar par atos tos y máquinas de gran sensibil idad.
Filtros de absorción
Filtros de absorción En la práctica los filtros de absorción de primer orden se seleccionan para contrarrestar el mayor valor de corriente del residuo armónico, mientras que los filtros de segundo orden se utilizan para eliminar el resto de las componentes del residuo armónico de valor significativo. Cuando se desea compensar la distorsión en circuitos trifásicos se pueden implementar tres filtros monofásicos (uno por fase) o un circuito de filtrado como el mostrado en la figura siguiente:
Filtros de absorción
Filtros de Rechazo Los filtros de rechazo se utilizan para atenuar corrientes armónicas en las baterías de condensadores, ubicadas para mejorar el reactivo en sistemas no lineales. La instalación de condensadores en sistemas con perturbaciones armónicas puede ocasionar resonancia paralelo y eventuales sobretensiones perjudiciales para los condensadores y los equipos del sistema. Además existe el riesgo de que circulen corrientes armónicas muy grandes producidas por la disminución de la reactancia de los capacitores al aumentar la frecuencia, pudiendo comportarse como cortocircuitos para frecuencias muy elevadas.
Resonancia en las instalaciones industriales Circuito equivalente de una instalación.
In
XT
XC ZR
Cargas Transformador perturbadoras
Banco de capacitores
Otras cargas
Obsérvese que para situaciones en que la carga es débil (Zr alta) puede darse una resonancia en p aralelo entre el transformador, cuyo comportamiento es indu ctivo (XT) y el capacitor (XC) a una frecuencia tal que:
n=
X C 1 X T 1
=
S CC Q
Donde Scc es la potencia de corto circuito del transformador y Q la potencia reactiva del capacitor. En caso de que wr coincida con algún armónico generado por un equipo perturbador se presentan fuertes sob retensiones en barras de B.T. y sobrecorrientes en el capacitor y transformador.
La solución para estos casos es incorporar inductancias en serie con los capacitores, formando un filtro de rechazo cuya frecuencia de resonancia esté lo suficientemente alejada de las frecuencias de las armónicas.
Filtros de rechazo (desintonizados) Reactores: Anti-resonantes o de choque. Bancos: Anti-armónicos o Filtros Desintonizados.
f r =
1 2p LC
= 240 Hz = 4 a Armónica
Protegen a los capacitores. Evitan resonancias. Compensan reactivos (f.p.) a 60 Hz. Reducción de corriente fundamental.
Aplicación de filtros de rechazo
L
CA CD
Resto de Hasta un 30% del total la carga de la carga instalada
C
Filtro de rechazo
Resultados de aplicación de filtros de rechazo
El factor de potencia se puede llegar a compensar al valor que se desee sin provocar efectos de resonancia en los capacitores y sus consecuentes efectos dañinos.
Filtros de absorción (Sintonizados) Reactores: resonantes. Bancos: Armónicas o Filtros Sintonizados. ì300 Hz =& 5a Armónica ü ï ï 1 = í400 Hz =& 7 a Armónicaý f r = 2p LC ï ï etc î þ
Protegen a los capacitores. Evitan resonancias. Eliminan armónicas del sistema. Compensan reactivos (f.p.) a 60 Hz. Reducción de corriente fundamental y armónica.
Aplicación de filtros de absorción
L
CA CD
Resto de Hasta un 40% del total la carga de la carga instalada
C
Filtro de absorción
Resultados de aplicación de filtros de absorción
Sin filtro
Con filtro
Filtros de armónicas
Potencias no activas Potencia de Asimetría. La falta de simetría es una de las ineficiencias más importantes que pueden presentar los sistemas eléctricos. A pesar de ello y hasta el momento presente, esta ineficiencia no ha suscitado demasiada preocupación, al considerarse que las técnicas de corrección hoy en día utilizadas son suficientes para limitar sus efectos a valores no peligrosos y, en cualquier caso, se considera que la potencia de la red eléctrica es tan grande que puede suministrar sin problemas el exceso de potencia producido por los desequilibrios
Potencias no activas Desgraciadamente, estas suposiciones no siempre se cumplen y los efectos de las asimetrías pueden llegar a ser tan graves, en ocasiones , como para dejar fuera de servicio a buena parte de la red eléctrica. La existencia de una carga desbalanceada ocasiona un sistema de corrientes de línea desequilibradas, que a partir del teorema de Stokvis y Fortescue se pueden descomponer en un sistema de corrientes balanceadas de secuencia directa asociado a la potencia activa y un sistema de corrientes balanceadas de secuencia inversa y homopolar asociadas a la potencia de asimetría. Las magnitudes en las que se descompone el sistema asimétrico, se denominan componentes simétricas.
Potencias no activas Por tanto, compensar la potencia de asimetría significa lograr un dispositivo capaz de suministrar las componentes de corriente de secuencia inversa y hom opolar a la carga desbalanceada y de esta forma descargar del generador tales componentes, disminuyendo la potencia aparente. Ya que esta potencia de asimetría se añade ortogonalmente a los demás tipos de potencia y reduce la eficiencia del sistema al disminuir su capacidad para transmitir potencia útil. No es este el únic o efecto negativo de la falta de si metría, también pueden producirse sobretensiones y sobrecargas en los distintos elementos del sistema eléctrico que reducen su vida útil y perjudican su correcto funcionamiento
Potencias no activas Tradicionalmente, se han utilizado dos procedimientos para limitar los efectos de estas ineficiencias: - Reparto equitativo de las cargas en cada una de las fases. - Instalación del conductor neutro.
No obstante, desde el momento en que existen cargas variables, el primero de ellos es de difícil aplicación, mientras que el segundo suele agravar los efectos negativos cuando el desequilibrio es muy importante.
Potencias no activas Una técnica preventiva, con la cual se pueden limitar los efectos de la asimetría sin que aparezcan los efectos perjudiciales secundarios de las técnicas tradicionales, consiste en utilizar filtros de secuencia que, conectados en bornes de la conexión asimétrica, convierten al conjunto en simétrico. La misión de estos filtros debe ser el suministro de la potencia de asimetría que necesita la instalación
Normas Nacionales Aunque en México no existe una normalización obligatoria relativa al contenido de armónicas, mencionaremos la Especificación de CFE L000-45, denominada Perturbaciones Permisibles en las Formas de Onda de Tensión y Corriente de Suministro de Energía Eléctrica, la cual es provisi onal y se en encuentra en fase de prueba, pero es seguro que se volverá obligatoria. Nos referiremos también a la norma IEEE-519-1992, la cual es de carácter obligatorio en Estados Unidos y es l a que define los niveles máximos de armónicos permitidos en una instalación eléctrica. A continuación se presentan los valores máximos permitidos, tanto para corriente como para voltaje y cuyas recomendaciones se con sideran vigentes para problemas de armónicas.
Normas Nacionales Tabla 1. Limites Máximos de Distorsión Armónica Total en Tensión y de CAIMT en el Punto de Acoplamiento Común (Según Especificación L0000-45 de CFE)
Normas Nacionales Tabla 2.-Valores Limite de Distorsión Armónica en Corriente (%) Según Norma IEEE-519-1992
Normas Nacionales Tabla 3 Valores Limite de Distorsión Armónica en Voltaje (%) Según Norma IEEE-519-1992
Normas Nacionales En lo que respecta a los armónicos en corriente, el porcentaje máximo permisible, se calcula de acuerdo con la proporción entre la corriente de corto circuito del sistema donde se conecta la acometida del cliente y l a corriente de la carga del cliente, es decir; la corriente que en un momento dado consuma toda su instalación. Cabe mencionarse, que en este caso, se cuida q ue los valores máximos de armónicos, no dañen tanto a los equi pos del cliente, como a los de los demás usuarios conectados al mismo sis tema. Los armónicos de corriente, generalmente se atenúan, es decir, se pierden en los transformadores, cables, tableros y otros equipos; además, en caso de existir cantidades grandes, el primero en detectarlas es el propio usuario que las genera, ya que le provocan problemas como los que se mencionaron con anterioridad.
Normas Nacionales Para el caso de los armónicos en voltaje, el porcentaje máximo permisible es provocado por el equipo generador de armónicos y es independiente del tamaño de la carga del cliente, ya que una di storsión considerable en voltaje, afecta la estabilidad del sistema, más que a los equipos del propio cliente y por lo tanto, afecta la calidad de la energía suministrada a otros usuarios conectados al mismo sistema. Pero independientemente de lo anterior, para el caso de edificios e industrias típicas, los niveles de distorsión en voltaje siempre son menores al 3% con lo que no se afecta al sistema ni a la estabilidad del mismo, por lo tanto, generalmente se pone más atención a la distorsión en la ond a de corriente, que es la que si alcanza en muchos casos, valores considerables.
Medidores Arteche Características PQ - Valores fundamentales de W, VAr, VA, A y V parámetros de distorsión. - Hasta 1,600 registros de eventos. - Captura de forma de onda de manera automática o manual - Análisis de Fourier - Espectro de armónicas - Identificación hasta la 61va. Armónica
