REPÚBLICA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DE VALENCIA PROGRAMA NACIONAL DE FORMACION EN ELECTRICIDAD (PNFE) REDES DE DISTRIBUCION
REGULADORES DE VOLTAJE EN REDES DE DISTRIBUCION DE ELECTRICIDAD
PARTICIPANTES: Alvarado Manuel 7.560.719 Alvarez Ricardo 13.809.316 Moreno Luis 11.630.523 FACILITADOR: Ing. Argenis Maldonado Valencia, marzo 2011
La energía eléctrica representa el principal insumo que mueve al mundo industrial; sin ella, nuestras empresas se detendrían y las economías enteras entrarían en crisis. Por eso es vital saber administrarla.
Aproximadamente el 55% de la energía eléctrica producida es consumida por los sectores comercial e industrial. Por lo tanto el buen uso de la energía eléctrica le permite, a su empresa, ser cada vez más competitiva, en una economía que q ue tiende a la globalización, así el ahorro de energía es una alternativa viable para reducir costos de operación y mejorar los niveles de competitividad dentro del mundo industrial.
La calidad de la energía eléctrica puede definirse como una ausencia de interrupciones, sobre tensiones y deformaciones producidas por armónicas en la red y variaciones de voltaje RMS suministrado al usuario; esto referido a la estabilidad del voltaje, la frecuencia y la continuidad del servicio eléctrico.
Asimismo se ha determinado que uno de los problemas más comunes que ocasiona el desperdicio de energía eléctrica en las empresas es la calidad de esta, pues influye en la eficiencia de los equipos eléctricos que la usan.
Actualmente, la calidad de la energía es el resultado de una atención continua; en años recientes esta atención ha sido de mayor importancia debido al incremento del número de cargas sensibles en los sistemas de distribución, las cuales por sí solas, resultan ser una causa de la degradación en la calidad de la energía eléctrica.
¿QUE ES UN PROBLEMA DE CALI CAL IIDAD DE LA ENERGÍA? Podemos decir que existe un problema de calidad de la energía eléctrica cuando ocurre cualquier desviación de la tensión, la corri ente o la frecuencia que provoque la mala operación de los equipos de uso final y deteriore l a economía o el bienestar de los usuarios; asimismo cuando ocurre alguna interrupción del flujo de energía eléctrica. Los efectos asociados a problemas de calidad cali dad de la energía son:
Incremento en las pérdidas de energía.
Daños a la producción, a la economía y la competitividad empresarial
Incremento del costo, deterioro de la confiabilidad, de la disponibilidad y del confort.
IMPORTANCIA ACTUAL Actualmente, el estudio de la calidad de la energía eléctrica ha adquirido mucha importancia y tal vez la razón más importante es la búsqueda del aumento de productividad y competitividad de las empresas. Asimismo porque existe una interrelación entre calidad de la energía eléctrica, la eficiencia y la productividad.
Para aumentar la competitividad las empresas requieren optimizar su proceso productivo mediante:
Usando equipos de alta eficiencia como motores eléctric os, bombas, etc.
Automatizando sus procesos mediante dispositivos electrónicos y de computación (microcontroladores, computadores, PLC, etc.).
Reduciendo los costos vinculados con la continuidad del servicio y la calidad de la energía.
Reduciendo las pérdidas de energía.
Evitando los costos por sobredimensionamiento y tarifas.
Evitando el envejecimiento prematuro de los equipos.
La proliferación de equipos de control y automatización han aumentado los problemas de confiabilidad en la producción. Pues los equipos electrónicos son una fuente de perturbaciones para la calidad de la energía eléctrica pues distorsionan las ondas de tensión y corriente. Por otro lado los equipos de control y automatización son muy sensibles a distorsión o magnitud de la onda de tensión por lo que una variación en la calidad de la energía eléctrica puede ocasionar fallas que paralicen la producción ocasionando tiempo perdido y costos de producción inesperados.
Entonces hay que convivir con el problema y encontrarle soluciones cada vez mas optimas, para lo cual el estudio de los fenómenos de la calidad de la energía es indispensable.
CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS DE TENSIÓN Y CORRIENTE Las ondas de tensión y corriente están definidas por las siguientes características principales:
Número de Fases. La fase indica la situación instantánea en el ciclo, de una magnitud que varia cíclicamente.
Amplitud de la onda: la amplitud de una onda es el valor máximo, tanto positivo como negativo, que puede llegar a adquirir la onda sinusoide.
El valor máximo positivo que toma la amplitud de una onda sinusoidal recibe el nombre de "pico o cresta".
El valor máximo negativo, "vientre o valle".
El punto donde el valor de la onda se anula al pasar del valor positivo al negativo, o viceversa, se conoce como “nodo”, “cero” o “punto de equilibrio”.
Frecuencia de la onda: La frecuencia (f) del movimiento ondulatorio se define como el número de oscilaciones completas o ciclos por segundo (f=1/T).
Forma de la onda.
FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTIICOS Si tan sólo ayer se prestaba atención a un grupo relativamente limitado de fenómenos, hoy es necesario tomar en consideración un conjunto más amplio de indicadores de calidad, debido a sus efectos sobre el confort, la confiabilidad, el costo, el consumo, la demanda y el diseño de los sistemas de suministro eléctrico. Paradójicamente, hay más problemas y son escasas o no existen personas preparadas o dedicadas a enfrentarlos. Según la Norma IEEE Estándar 1159 de 1995 los fenómenos electromagnéticos
pueden ser de tres tipos:
Variaciones en el valor RMS de la tensión o la corriente.
Perturbaciones de carácter transitorio.
Deformaciones en la forma de onda.
La Tabla 1 muestra un resumen de las características típicas de los fenómenos electromagnéticos.
Fuente: IEEE Std 1159-1995
Tabla 1. Clasificación y Características Típicas de los Fenómenos Electromagnéticos.
Las variaciones de tensión son un problema frecuente en el sistema de distribución de energía eléctrica, debidas principalmente a la mala impedancia de la línea, así como a las variaciones de carga y a la sobrecarga en algunos puntos. Las compañías generadoras de energía eléctrica tratan de mantener la tensión suministrada a los usuarios dentro de un rango igual al ±5% del valor nominal. Bajo ciertas condiciones, se permite una variación mayor. Sin embargo, hay que aclarar que algunas cargas sensibles
soportan una
variación mucho menor para su correcto funcionamiento. En la figura 1 se muestra el diagrama general del sistema de alimentación, si la impedancia es alta, la tensión cae a un valor bajo cuando existe una demanda grande de corriente.
Fig. 1.- Esquema general del sistema de distribución eléctrica.
Por otro lado, si la tensión se aumenta para compensar esta caída, puede existir una sobretensión en caso de que la carga disminu ya. De acuerdo a R. Dugan, las principales perturbaciones de tensión son las siguientes: 1
Sobretensión de larga duración.- Es un incremento superior al 110 % de la tensión nominal, durante un tiempo mayor a un minuto . Generalmente resultan de la desconexión de una carga muy grande.
Baja tensión de larga duración.- Es una disminución a un valor menor que el 90 % del nominal, durante un tiempo mayor a un minuto. Su principal causa es la sobrecarga en las líneas.
Sobretensión de corta duración ( swell ).- Es un incremento a un valor entre el 110% y el 180% del nominal, con una duración entre 0.5 ciclos de línea a 1 minuto. De manera similar a la sobretensión de larga duración, se produce generalmente por la desconexión de cargas muy grandes.
Baja tensión de corta duración ( sag ).- Es una disminución a un valor entre el 10 % y el 90% del nominal, con una duración entre 0.5 ciclos de línea a 1 minuto. Generalmente es ocasionado por la conexión de grandes cargas o al encendido de motores.
Armónicos.- Es una tensión cuya frecuencia es un múltiplo entero de la nominal del sistema. Se describen de acuerdo al contenido de su espectro, aunque es común utilizar un valor denominado distorsión armónica total ( Total Harmonic Distorsion, THD).
Parpadeo.- Consiste en variaciones cíclicas de la envolvente de tensión, con valores entre el 90% y el 110% del nominal. Se le conoce por este nombre (en inglés, ( flicker ) debido al efecto que tiene sobre la operación normal de las lámparas. Son causados por la variación sistemática de la demanda debida a ciertos tipos de cargas, como los hornos de arco.
En la figura 2 se muestran las formas de onda de estas perturbaciones.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 2. Principales perturbaciones de tensión: a) sag, b) swell, c) distorsión armónica, d) flicker
REGULADORES DE TENSION. Los reguladores de tensión son equipos utilizados desde la aparición de los primeros sistemas de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. Su función consiste en mantener una tensión de salida dentro de un margen estrecho ante variaciones en la tensión de entrada. Su aplicación puede dividirse en dos grupos: para media y alta tensión, los cuales se colocan en las líneas de transmisión y distribución, y para baja tensión, que se las variaciones de tensió n de larga duración y, dependiendo del tipo, algunas de corta duración. Su tiempo de respuesta típico va desde varios milisegundos hasta decenas de segundos.
EQUIPOS DE REGULACION PARA MEDIA TENSION Entre las opciones para mejorar la regulación en media tensión se encuentran las siguientes:
Instalación de condensadores serie-paralelo.
El uso de compensadores estáticos de Volt – ampéres reactivos (VAR).
Empleo de transformadores con conmutación con carga (LTC).
Uso de reguladores de tensión por pasos. (SVR).
Los condensadores en paralelo ayudan a mantener la tensión dentro de los valores especificados mediante la reducción de la corriente de las líneas. Sin embargo, al compensar los circuitos inductivos se puede alcanzar un pico de tensión. Con el propósito de mantener una tensión constante, los condensadores se pueden conmutar de acuerdo a la carga, algunas veces en pequeños incrementos para poder seguir las variaciones de la misma. Su objetivo principal consisten mantener la tensión en un valor mayor al especificado, se utilizan condensadores de valor fijo (sin conmutación) para prevenir una condición de baja tensión de larga duración.
De acuerdo con la figura 3-a la conexión de condensadores al fina l de la línea de alimentación, en paralelo con la carga, produce un aumento gradual de la tensión a lo largo de la misma. Sin embargo, el disponer de esta conexión implica
que el porcentaje de variación de tensión es independiente de la carga. Por tanto se requiere un control automático para proveer la regulación deseada con cargas grandes y evitar sobretensiones con cargas pequeñas. Otro inconveniente de estros equipos es la producción de armónicos.
La conexión de condensadores en serie (fig. 3-b) no es común pero es útil en el caso de cargas impulsivas que pudieran ocasionar flicker, así como para cargas de alto contenido inductivo, ya que reducen la impedancia del sistema. A diferencia de la conexión en paralelo, en esta configuración la variacón de tensión está en función de la corriente de carga: cero aumento de tensión sin carga y aumenta a un valor máximo a plena carga. Para la misma regulación equivalente en paralelo, un condensador serie debe ser especificado a una te nsió y potencia menor.
Su principal inconveniente es su costoso y cuidadoso mantenimiento y para el caso de cargas mayormente resistivas y líneas de gran longitud
no resultan
adecuadas. Además está imposibilitado de compensar potencia reactiva a las cargas conectadas por lo tanto no reducen las pérdidas del sistema si este está limitado por una excesiva caçida de tensión. Otra desventajas adicionales de esta configuración lo son la ausencia de total corriente de corriente lo que llevaría a un alto nivel de sobretensión el cual debe prevenirse con equipos de conexión – desconexión, los efectos resonantes con motores de inducción y síncrono y el efecto ferroresonante con transformadores.
Fig. 3-a y 3-b. Condensadores serie - paralelo
Otra solución al problema es el uso de compensadores estáticos VAR. Dichos equipos pueden reaccionar en unos cuantos ciclos a fin de mantener la tensión constante mediante el control de la potencia reactiva. Son utilizados con frecuencia en industrias que utilizan hornos de arco y otros tipos de cargas que varían aleatoriamente, donde el sistema presenta una elevada impedancia y el flicker resultante afecta a usuarios cercanos.
La función de un static VAR es mantener la tensión regulada mediante una respuesta rápida de compensación de potencia reactiva del sistema ya sea por consumo o suministro en función de la impedancia del sistema para aumentar o disminuir la tensión ciclo a ciclo. Existen dos tipos de static VAR , como se observa en la figura 4. El más utilizado se ilustra en la figura 4-a , se trata del denominado reactor controlado a tiristor (TCR) el cual emplea condensadores fijos para proveer reactivos en adelanto y compensar mediante una inductancia conmutada mediante un tiristor. En la figura 4-b conmuta condensadores por pasos tanto como la carga se lo indique ofreciendo una regulación gruesa pero muy aceptable.
Fig. 4. (a) reactor controlado por tiristor. 4-(b) conmutados por tiristores
EL REGULACION DE TENSION POR PASOS. De acuerdo a estándar C57.131-1995 del IEEE, el cambiador de tomas con carga o (load tap changer , LTC) se define como “un equipo con interruptor selector, el cual puede incluir conmutadores para interrumpir la corriente, utilizando para cambiar las tomas de un transformador cuando este se encuentra
operando y manejando la carga nominal” . Tal estándar se refiere a cambiadores de tomas instalados en transformadores de potencia y transformadores reguladores de tensión, de todos los niveles de tensión y potencia (KVA).
Aunque el estándar anterior define a los transformadores sumergidos en aceite mineral, puede ser utilizado para otros tipos de fluido aislante y para otras condiciones. Este equipo puede utilizar un mecanismo por accionamiento a motor para realizar el cambio de tomas.
Por otro lado el estándar C57.15-1999 IEEE define al regulador de tensión por pasos ( step-voltage regulador, SVR) como “Un dispositivo de inducción, conteniendo uno o más devanados en paralelo, excitados a partir de un devanado primario, además de contener uno o más devanados en serie entre el primario y la salida regulada a través de pasos mediante el cambio de tomas sin interrumpir la alimentación de carga” El regulador basado en cambiadores de tomas utilizado en media y alta tensión puede generalmente regular la tensión de línea en un rango de entrada de ±10% mediante 32 pasos de 0.625%. Aunque existen algunas variantes, la mayoría de reguladores son de este tipo. Los transformadores de distribución de las subestaciones contienen generalmente cambiadores de tomas en carga trifásicos, los cuales están constituidos por tres módulos monofásicos, mientras que los reguladores de líneas de alimentadores son monofásicos.
La figura 5 muestra dos esquemas principales de los reguladores de tensión por pasos. Aunque el concepto de un autotransformador con cambiador de tomas es simple, un regulador de tensión de línea es complejo, el cual está compuesto por varios dispositivos y diseñado para obtener un mecanismo de conmutación de tomas de alta confiabilidad y larga duración. Los reguladores señalados son relativamente lentos. El tiempo de retardo a partir del cual se sale la tensión del rango especificado es de al menos 15s, con un valor típico de 30 a 40s. Lo anterior no resulta viable cuando la tensión varía en cuestión de pocos ciclos o segundos. Su aplicación principal consiste en elevar la tensión de líneas de gran longitud. El rango típico de variación de tensión permitido a la salida es de 1.5 a 3.0v. teniendo como base una
tensión de 120v. El control puede ser especificado para mantener la tensión en un punto del sistema de distribución que se encuentre muy alejado, mediante el uso del compensador de caída de tensión de la línea. Lo anterior tiene como resultado una respuesta de tensión de mayor nivel promedio, además que le ayuda a prevenir sobretensiones a los usuarios que se encuentran conectados cerca del regulador. Los controles se encuentran integrados al equipo y cada fase se controla por separado. A continuación se analizarán algunos tópicos importantes en la calidad de energía: el uso del compensador de caída de tensión de línea para mejorar el comportamiento de la misma, y el rechazo de la carga en los reguladores en serie.
Fig. 5. Esquemas básicos de reguladores de tensión por pasos.
a) Compensador de la caída de tensión de la línea:
Los reguladores son efectivos para aliviar las condiciones de baja tensión en los sistemas de distribución cuando la carga ha superado la capacidad de los mismos en horas de demanda pico. Debido al tiempo que tomaría determinar los parámetros correctos para la compensación, los valores R y X de la impedancia de línea son puestos generalmente en cero y el punto de referencia o set point del punto de regulación de tensión es puesto cerca del valor máximo disponible (126-125 v para un valor nominal de 120v). Lo anterior tiene como resultado que la tensión de
alimentación en distribución permanece cerca del máximo la mayor parte del tiempo debido a que las carga alcanza su valor pico durante un pequeño porcentaje de las horas del día. Esto resulta suficiente para la mayoría de los casos, sin embargo presenta las siguientes desventajas:
Los transformadores operan cerca del punto de saturación, produciendo corrientes armónicas y pérdidas, contribuyendo por lo tanto a la distorsión armónica del sistema, lo cual puede ser problemático a carga baja.
Los usuarios podrían necesitar un reemplazo más frecuente de sus lámparas incandescentes.
El propósito del compensador de caída de tensión de línea consiste en mejorar el comportamiento de la misma, del tal forma que el equipo suministre el nivel requerido por un pico de demanda, mientras que la tensión disminuya a su nivel normal con la disminución de carga. La figura 6 muestra el caso de un circuito con regulador sin compensación en el cual la tensión permanece en un valor 5% mayor al nominal de 120v. (126v), debido a la histéresis el control este valor podría ser superior. En la figura 7 se observa el caso con compensación con el ajuste a 100% del valor nominal de 120v. y conectado a cierta distancia en el sistema de distribución. Al existir un pico de demanda, la tensión se eleva a un 105% del valor nominal, para asegurar el nivel dentro del rango al final de la línea. Si la carga disminuye, la tensión se ajusta a un valor muy cercano al nominal. Todo esto realizado por el software del control el cual analiza los valores de ajuste de R y X en el circuito entre otros.
Fig 6. Regulación sin compensación de caída de tensión
Fig. 7. Regulación con compensación de caídas de tensión
b) Reguladores serie:
En áreas pobladas las cuales se encuentran alejadas no es raro encontrar bancos de más dos reguladores en serie para alimentación e cargas remotas tales como sitios de minería o áreas de desarrollo agrícola. La clave para este arreglo es la llamada “cascada” es decir los tiempos de retardo se ajustan de manera que el regulador más cercano a la subestación es el más corto.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality (IEEE Std.1159-1995). Institute of Electrical and Electronics Engineers. ISBN 1-55937-549-3. Estados Unidos, 1995.
2. Electrical Power Systems Quality. Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty. Ed. Mc Graw -Hill. Estados Unidos, 1996.
3. Característica de la tensión suministrada por las redes generales de distribución (UNE-EN 50160). Ed. AENOR. España, 2001.
4. NEMA Standards Publication ANSI/NEMA MG 1- 2003, “Motors and Generators“. National Electrical Manufacturers Association. Estados Unidos, 2004.
5. IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems (IEEE Std. 519-1992). Institute of Electrical and Electronics Engineers. ISBN 1-55937-239-7. Estados Unidos, 1993.
6. IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plant (IEEE Std.141-1994). ISBN 1-55937-333-4. New York, USA, 1994.
7. CADAFE normas para redes de distribución. 1987.
ANEXOS
CONTROL DEL REGULADOR DE TENSION
BANCO DE TRES REGULADORES MONOFASICOS
