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INDICE

UNIDAD I: “GENERALIDADES Y TERMINOLOGIAS”

1. INTRODUCCION ................................................................................ ................................................................................ 1 2. OBJETIVOS ........................................................................................... ........................................................................................... 1 3. CONTENIDO ....................................................................................... ....................................................................................... 1 3.1. Definición De Calidad De Energía Eléctrica ...................... 1 3.2. Fenómenos De La Calidad De Energía Eléctrica ............... 4 3.3. El Sistema Eléctrico ................................................................ 4 3.4. Definiciones Básicas ............................................................... ............................................................... 7 3.4.1. Compatibilidad Electromagnética ............................ 7 3.4.2. Nivel De Inmunidad ................................................... 7 3.4.3. Disturbio Electromagnético ....................................... 7 3.4.4. Carga ............................................................................. ............................................................................. 7 3.4.5. Cargas Lineales ............................................................ ............................................................ 8 3.4.6. Cargas No Lineales ..................................................... 9 3.4.7. Teorema De Fourier .................................................. .................................................. 10 3.4.8. Espectro De Fourier................................................... 11 3.4.9. Armónicos .................................................................. 11 3.4.10. Distorsión Armónica (THD) .................................... 14 3.4.11. Factores Importantes................................................. 14 3.4.12. Flicker .......................................................................... .......................................................................... 18 3.5. Propósito De Las Normas De Calidad Cali dad De Energía ......... 19 3.6. Normatividad En El Perú .................................................... 21 4. RESUMEN ................................................................................ ........................................................................................... ........... 23 5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN AUTOCOMPROBACIÓN ................................ 24 6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN AUTOCOMPROBACIÓN ........................................................................ ........................................................................ 24 7. GLOSARIO ......................................................................................... 25 UNIDAD II: “PERTURBACIONES EN UN SISTEMA ELECTRICO”

1. INTRODUCCION................................................................... .............................................................................. ........... 26 2. OBJETIVOS ................................................................... ......................................................................................... ...................... 26 3. CONTENIDO .............................................................. ..................................................................................... ....................... 26 3.1. Eventos ............................................................ ................................................................................... ....................... 26 3.2. Transitorios ................................................................. ............................................................................ ........... 28 3.2.1. Transitorios Impulsivos............................................ 28 3.2.2. Transitorios Oscilatoris............................................. 29 3.3. Variaciones De Voltaje De Larga Duración ...................... 29 3.3.1. Interrupción De Larga Duración ............................. 29 3.3.2. Sobrevoltaje ................................................................ 31 3.3.3. Subvoltaje ................................................................... 31

Calidad de la Energía Eléctrica

INDICE

UNIDAD I: “GENERALIDADES Y TERMINOLOGIAS”

1. INTRODUCCION ................................................................................ ................................................................................ 1 2. OBJETIVOS ........................................................................................... ........................................................................................... 1 3. CONTENIDO ....................................................................................... ....................................................................................... 1 3.1. Definición De Calidad De Energía Eléctrica ...................... 1 3.2. Fenómenos De La Calidad De Energía Eléctrica ............... 4 3.3. El Sistema Eléctrico ................................................................ 4 3.4. Definiciones Básicas ............................................................... ............................................................... 7 3.4.1. Compatibilidad Electromagnética ............................ 7 3.4.2. Nivel De Inmunidad ................................................... 7 3.4.3. Disturbio Electromagnético ....................................... 7 3.4.4. Carga ............................................................................. ............................................................................. 7 3.4.5. Cargas Lineales ............................................................ ............................................................ 8 3.4.6. Cargas No Lineales ..................................................... 9 3.4.7. Teorema De Fourier .................................................. .................................................. 10 3.4.8. Espectro De Fourier................................................... 11 3.4.9. Armónicos .................................................................. 11 3.4.10. Distorsión Armónica (THD) .................................... 14 3.4.11. Factores Importantes................................................. 14 3.4.12. Flicker .......................................................................... .......................................................................... 18 3.5. Propósito De Las Normas De Calidad Cali dad De Energía ......... 19 3.6. Normatividad En El Perú .................................................... 21 4. RESUMEN ................................................................................ ........................................................................................... ........... 23 5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN AUTOCOMPROBACIÓN ................................ 24 6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN AUTOCOMPROBACIÓN ........................................................................ ........................................................................ 24 7. GLOSARIO ......................................................................................... 25 UNIDAD II: “PERTURBACIONES EN UN SISTEMA ELECTRICO”

1. INTRODUCCION................................................................... .............................................................................. ........... 26 2. OBJETIVOS ................................................................... ......................................................................................... ...................... 26 3. CONTENIDO .............................................................. ..................................................................................... ....................... 26 3.1. Eventos ............................................................ ................................................................................... ....................... 26 3.2. Transitorios ................................................................. ............................................................................ ........... 28 3.2.1. Transitorios Impulsivos............................................ 28 3.2.2. Transitorios Oscilatoris............................................. 29 3.3. Variaciones De Voltaje De Larga Duración ...................... 29 3.3.1. Interrupción De Larga Duración ............................. 29 3.3.2. Sobrevoltaje ................................................................ 31 3.3.3. Subvoltaje ................................................................... 31


3.4. Variaciones De Voltaje De Corta Duración ...................... 33 3.4.1. Interrupciones De Corta Duración.......................... 34 3.4.2. Hundimientos De Voltaje......................................... 35 3.4.3. Subidas De Voltaje Swells ........................................ 37 3.5. Desbalance De Voltaje ......................................................... 38 3.6. Fluctuaciones De Voltaje ..................................................... 39 3.7. Flicker .............................................................. ..................................................................................... ....................... 42 3.8. Impulsos .......................................................... ................................................................................. ....................... 42 3.9. Variaciones De Frecuencia .................................................. 43 3.10. Distorsiones Y Perturbaciones De Forma De Onda ........ 45 3.10.1. Armónicos .................................................................. 45 3.10.2. Interarmonicos ........................................................... 46 3.10.3. Notching .......................................................... ..................................................................... ........... 47 3.10.4. Ruidos ............................................................. ......................................................................... ............ 47 4. RESUMEN..................................................................... ........................................................................................... ...................... 48 5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN AUTOCOMPROBACIÓN ................................ 51 6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN AUTOCOMPROBACIÓN ........................................................................ ........................................................................ 51 7. GLOSARIO ................................................................... ......................................................................................... ...................... 52 UNIDAD III: “ARMONICOS EN UN SISTEMA ELECTRICO”

1. INTRODUCCION................................................................... .............................................................................. ........... 53 2. OBJETIVOS ................................................................... ......................................................................................... ...................... 53 3. CONTENIDO .............................................................. ..................................................................................... ....................... 53 3.1. Generación De Armónicos .................................................. 53 3.2. Origen De Los Armónicos ................................................... 55 3.2.1. Cargas No Lineales ................................................... 55 3.2.2. Cargas No Lineales Simétricas ................................ 56 3.2.3. Cargas Monofásicas .................................................. 56 3.3. Fuentes Generadoras De Armónicos ................................. 57 3.3.1. Convertidores Con Hornos De Arcos..................... 57 3.3.2. Armónicos Causados Por Lámparas De Arco ....... 60 3.3.3. Los Convertidores Estáticos En La Red Trifásica . 62 3.3.4. Variador De Velocidad ............................................. 64 3.3.5. Las Inductancias Saturables..................................... 66 3.3.6. Máquinas Rotativas................................................... 66 3.4. Efectos De Los Armónicos .................................................. 67 3.4.1. Calentamientos En Conductores, Neutros Y Otros Equipos ..................................................................................... ..................................................................................... 67 3.4.2. Sistemas De Protección............................................. 68 3.4.3. Resonancia .................................................................. 70 3.4.4. Vibraciones Y Acoplamientos.................................. 70 3.4.5. Deterioro De La Forma De Onda De Voltaje Voltaje ......... 71 3.4.6. Voltaje Entre Neutro Y Tierra Distinta De Cero ... 72 3.4.7. Motores Asíncronos .................................................. 72 3.4.8. Líneas Eléctricas......................................................... 73


3.4.9. Condensadores .......................................................... 73 3.4.10. Computadoras ........................................................... 75 3.4.11. Transformadores ....................................................... 75 3.4.12. Alternadores............................................................... 75 3.5. Propagación De Los Armónicos ......................................... 76 3.6. Soluciones A Los Problemas De Armónicos .................... 77 3.6.1. Filtrado De Armónicos ............................................. 77 3.7. Soluciones Tradicionales ..................................................... 78 3.7.1. Bloqueo De Corrientes Armónicas Con Transformadores De Aislamientos ....................................... 78 3.7.2. Actuar En La Estructura De La Instalación ........... 79 3.7.3. Encerrando Armónicos ............................................. 79 3.7.4. Filtro De Orden 3 En El Neutro ............................... 80 3.7.5. Sobredimensionamiento De Los Conductores ...... 81 4. RESUMEN........................................................................................... 83 5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN ................................ 84 6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN ........................................................................ 84 7. GLOSARIO ......................................................................................... 85 UNIDAD IV: “FLICKER”

1. INTRODUCCION.............................................................................. 86 2. OBJETIVOS ......................................................................................... 86 3. CONTENIDO ..................................................................................... 86 3.1. Definición Del Flicker .......................................................... 86 3.2. Índices Para La Evaluación Del Flicker ............................. 87 3.2.1. Coeficiente De Severidad A Corto Plazo (Pst) ...... 87 3.2.2. Coeficiente De Severidad A Largo Plazo (PLT) ... 88 3.3. Límites De Emisión .............................................................. 89 3.4. Origen Del Flicker ................................................................ 90 3.4.1. Hornos De Arco ......................................................... 90 3.4.2. Máquinas De Cargas Fluctuantes............................ 91 3.4.3. Mal Funcionamiento Del Sistema De Iluminación 92 3.4.4. Flicker Causado Por Los Interarmónicos ............... 93 3.5. Efectos Que Producen .......................................................... 94 3.6. Determinación Preliminar Del Flicker En Una Instalación .............................................................................. 96 3.6.1. Método Cualitativo ................................................... 96 3.6.2. Método Gráfico .......................................................... 97 3.6.3. Método Analítico ....................................................... 97 3.7. Acciones De Prevención Y Corrección .............................. 98 3.7.1. Reactancias Controladas........................................... 99 3.7.2. Elección Del Sistema De Iluminación ................... 101 3.7.3. Conversor Rotativo ................................................. 102 3.7.4. Modificación De La Red ......................................... 102 3.7.5. La Capacitancia Serie .............................................. 103


3.7.6. La Reactancia En Serie ............................................ 104 3.7.7. Cambio De Nivel De Voltaje .................................. 104 3.7.8. Arrancadores De Motores ...................................... 105 4. RESUMEN......................................................................................... 106 5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN .............................. 107 6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN ...................................................................... 107 7. GLOSARIO ....................................................................................... 108 UNIDAD V: “MEDICION DE CALIDAD DE ENERGIA ELECTRICA”

1. Introduccion...................................................................................... 110 2. OBJETIVOS ....................................................................................... 110 3. CONTENIDO ................................................................................... 111 3.1. Medición de calidad de energía ..................................................... 111 3.2. Recursos necesarios para realizar una medición de calidad de energía ............ 111 3.3. Importancia de la medición de calidad de energía ..................... 112 3.4. Evolución del monitoreo de calidad de energía .......................... 112 3.5. Equipos de última generación ........................................................ 114 3.5.1Equipo Power Reliable Meters (RPM) .................................. 115 3.5.2. Equipo Qwave ........................................................................ 115 3.5.3. Equipo Dranetz ...................................................................... 115 3.5.4. Equipo Memobox ................................................................... 116 3.5.5. Equipo Topas .......................................................................... 116 3.5.6. Equipo Flucke ......................................................................... 116 3.5.7. Medidores de energía ............................................................ 116 3.6. Metodología de medición ............................................................... 117 3.7. Precauciones para tener una buena medición ............................. 121 3.8. Transmisión de la información ...................................................... 121 3.9. Software de análisis ......................................................................... 122 3.10. Exploración de datos obtenidos .................................................. 123 3.11. Metodología para la determinación de la direccionalidad de la corriente armónica ................................................................................................... 123 3.11.1 Comportamiento del THD de tensión y de corriente ...... 123 3.11.2. Correlación Armónica ......................................................... 125 3.12. Metodología para la determinación del origen del Flicer ........ 126 3.12.1. Comportamiento de la demanda frente al Flicker........... 126 3.12.2. Conexión y desconexión ..................................................... 127 4. RESUMEN......................................................................................... 129 5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN .............................. 130 6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN.................. 130 7. GLOSARIO DE TÉRMINOS........................................................... 130


UNIDAD VI: “NORMAS DE CALIDAD DE ENERGIA ELECTRICA”

1. INTRODUCCIÓN............................................................................ 131 2. OBJETIVOS ....................................................................................... 131 3. CONTENIDO ................................................................................... 131 3.1. Factores que influyen en la selección de tolerancias ................... 131 3.2. Resultados de la norma técnica de calidad de los servicios eléctricos en el Perú ......................................................................... 132 3.3. Disposición de la norma técnica de calidad de los servicios eléctricos (NTCSE) ........................................................................... 133 3.3.1. Etapas de aplicación .............................................................. 135 3.3.2. La NTCSE y las empresas de electricidad ......................... 135 3.3.3. Calidad de producto (TENSION) ........................................ 136 3.3.4. Calidad de producto (FLICKER) ......................................... 137 3.3.5. Calidad de producto (TENSIONES ARMONICAS) ......... 138 3.3.6. Calidad de producto (frecuencia) ........................................ 141 3.4. Normas Internacionales .................................................................. 143 3.4.1. Normas importantes del IEC ................................................ 143 3.4.2. Normas CENELEC................................................................. 144 3.4.3. Limites de armónicos recomendados por El IEEE ............ 144 3.4.4. Comparación de la NTCSE con normas extranjeras ......... 148 3.4.5. Otras Recomendaciones Y Publicaciones ........................... 150 4. RESUMEN......................................................................................... 151 5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN .............................. 152 6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE ............................................ AUTOCOMPROBACIÓN............................................................... 152 7. GLOSARIO DE TéRMINOS ........................................................... 153


UNIDAD I “GENERALIDADES Y TERMINOLOGIAS”

1. INTRODUCCION El concepto calidad de energía eléctrica ha evolucionado en la última década a escala mundial. Se ha incrementado la importancia de un suministro eléctrico basado en criterios que van más allá de la simple continuidad o confiabilidad del servicio, pasando a un aspecto mucho más amplio que tiene que ver con grandes desarrollos científicos y tecnológicos. En esta unidad se describe el nuevo concepto de calidad de energía eléctrica, el cual está relacionado a una terminología especial que servirá para describir las perturbaciones eléctricas originadas; así mismo se realiza un enfoque general a la legislación vigente en nuestro país acerca del control de calidad de energía.

2. OBJETIVOS En esta unidad el participante debe lograr los siguientes objetivos: 1. Describir el concepto de calidad de energía y su terminología especial. 2. Analizar el significado de perturbaciones eléctricas. 3. Describir el concepto de las cargas lineales y no lineales. 4. Analizar la Norma Técnica de Calidad de Los Servicios Eléctricos (NTCSE) vigente.

3. CONTENIDO 3.1.

Definición de calidad de energía eléctrica El desarrollo tecnológico actual ha generado un nuevo concepto de calidad de energía el cual está relacionado con las perturbaciones electromagnéticas y eléctricas que pueden afectar las condiciones eléctricas de un suministro (tensión y/o corriente) y ocasionar el mal funcionamiento o daño a equipos eléctricos y procesos industriales.

Figura N° 1: Instalación de Equipos de Calidad de Energía


Figura N° 2: Monitoreo de la Calidad de Energía

1

El nuevo concepto de calidad de energía eléctrica está relacionado básicamente en la calidad de voltaje y corriente. La calidad de voltaje está referida a un voltaje ideal. El voltaje ideal es una onda senoidal a una sola frecuencia que tiene una magnitud y frecuencia constante. Un concepto complementario a esta definición sería la calidad de corriente , el cual es referido a una corriente ideal. Una corriente ideal es nuevamente una onda senoidal de una sola frecuencia que tiene una magnitud y frecuencia constante. Un adicional requerimiento es que esta onda senoidal este en fase con el voltaje suministrado (Fig. N° 3).

Figura N° 3: Ondas de tensión y corriente en fase.

La Figura N° 4 representa una onda de tensión y corriente distorsionada.

Figura N° 4: Mala Calidad de Voltaje y Corriente

2


El voltaje suministrado se puede representar según la siguiente función senoidal:

v(t )  V m sen( .t ) Asumiendo que la corriente tiene un desfasaje de “φ” grados esta adoptaría la siguiente función:

i (t )  I m sen( .t   ) La energía está dada por la siguiente fórmula:



Energía  v.(t ).i(t ).dt t

Por lo tanto la calidad de energía está referida a la combinación de la calidad de voltaje y corriente ambos referidos a la desviación de voltaje y/o corriente con respecto a una onda senoidal ideal.

Ejemplo: La Figura N° 5 muestra las ondas de potencia de un sistema eléctrico que presenta una calidad de energía aceptable.

Figura N° 5: Calidad de Energía (combinación de la calidad de voltaje y corriente)

La Figura N° 6 muestra una mala calidad de energía suministrada en un suministro.


3

Figura N° 6: Mala Calidad de Energía

3.2.

Fenómenos de la calidad de energía eléctrica En la sección anterior se ha definido el concepto de calidad de energía eléctrica el cual es afectado por las desviaciones en las ondas de tensión (calidad de tensión) y corriente (calidad de corriente). A estas desviaciones denominaremos perturbaciones eléctricas ocasionadas por los fenómenos de la calidad de energía eléctrica.

Figura N° 7: Perturbaciones Eléctricas

3.3.

El Sistema Eléctrico De acuerdo a la ley de las concesiones eléctricas (Ley 25844) el sistema eléctrico peruano se divide en tres actividades: 

Generación

La actividad de generación comprende el inicio de la cadena de un sistema eléctrico e involucra centrales eléctricas y sus instalaciones de

4


transmisión (subestaciones de transmisión y líneas) necesarias para transportar la energía eléctrica producida y ponerla a disposición de los clientes (Figura N° 8).

Figura N° 8: Actividad de Generación



Transmisión

El sistema principal de transmisión está constituido únicamente por líneas de transmisión que unen las subestaciones o barras y permiten el libre tránsito de la electricidad (Figura N° 9).

Figura N° 9: Actividad de Transmisión



Distribución

Está conformado por las redes de media (MT) y baja (BT) tensión necesaria para distribuir la energía eléctrica a los usuarios finales (Fig. 1.10).


5

Figura N° 10: Actividad de Distribución Denominaremos sistema eléctrico al conjunto de equipos interconectados (Figura N° 11).

GENERACION

MT

TRANSMISION MAT MAT

AT

LINEA DE TRANSMISION

MT

CLIENTES EN A L T A T E N S IO N

CLIENTES EN

DISTRIBUCION

MEDIA TENSION

MT

BT

CLIENTES EN B A J A T E N S IO N

Figura N° 11: Sistema Eléctrico. Las redes eléctricas del sistema peruano según la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos están clasificadas en (04) niveles de tensión (Cuadro N° 01).

6


Cuadro N° 01 Tensión Para tensiones mayores o iguales a 100kV

Muy Alta (MAT) Alta Tensión (AT)

Media Tensión (MT) Baja Tensión (BT)

3.4.

Para tensiones mayores o iguales a 30kV y menores a 100kV Para tensiones mayores a 1kV y menores a 30kV Para tensiones menores a 1kV

Definiciones Básicas Es conveniente definir algunos términos que tienen relación con el tema de calidad de energía eléctrica y los que utilizaremos durante el desarrollo del curso.

3.4.1.

Compatibilidad electromagnética Capacidad de un aparato o de un sistema para funcionar en su entorno electromagnético de forma satisfactoria y sin producir él mismo perturbaciones electromagnéticas intolerables para todo aquello que se encuentre en este entorno. Los equipos que tienen compatibilidad electromagnética tienen el siguiente símbolo:

Figura N° 12: Compatibilidad Electromagnética

3.4.2.

Nivel de inmunidad Nivel máximo de una perturbación electromagnética de forma dada que actúa sobre un dispositivo, aparato o sistema particular, sin que este deje de funcionar con la calidad deseada.

3.4.3.

Disturbio electromagnético Fenómeno electromagnético que pueda crear problemas en el funcionamiento de un dispositivo, de un aparto o de un sistema. Puede ser: ruido electromagnético, una onda no deseada o un cambio en el medio de propagación.

3.4.4.

Carga Se llama carga a cualquier dispositivo que usa corriente de una determinada fuente de poder eléctrica (Fig. N° 13).


7

Figura N° 13 Carga Eléctrica

3.4.5.

Cargas Lineales Son cargas donde la forma de onda de corriente tiene la misma forma que la onda de tensión suministrada, en otras palabras el voltaje y la corriente son semejantes el uno al otro (Fig. 1.14).

R

CARGA LINEAL

I

Figura N° 14: Representación Equivalente de una Carga Lineal

Las cargas lineales, no causan distorsión en la onda de tensión suministrada (Figura N° 15).

Figura N° 15: Cargas Lineales

8


Además, son dispositivos que consumen corriente en forma proporcional a la onda de tensión (Figura N° 16). V

RESISTENCIA LINEAL

I

R = V I

Figura N° 16: Resistencia Lineal

3.4.6.

Cargas no lineales Son cargas donde la forma de onda de la corriente no se asemeja a la onda de voltaje suministrada (Figura N° 17).

R

CARGA LINEAL

I

Figura N° 17: Representación Equivalente de Cargas No Lineales Las cargas No-Lineales, causan distorsión en la onda de voltaje suministrada, calentamientos de transformadores, sobre corrientes en el neutro, problemas en el control de microprocesadores, etc. (Figura N° 18)


9

Figura N° 18: Cargas No Lineales Son dispositivos que consumen corrientes de formas de onda diferentes a la del voltaje (Figura N° 19).

V

RESISTENCIA NO LINEAL

I

R = V I

Figura N° 19: Resistencia No Lineal

3.4.7.

Teorema De Fourier El teorema de Joseph Fourier indica que toda función periódica no senoidal se puede representar en forma de una suma de términos (serie) compuesta por:   

10

Un término senoidal a frecuencia fundamental. Términos senoidales cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la fundamental (armónicos). Y eventualmente una componente continúa.


La fórmula de la descomposición armónica de una función periódica es la siguiente:

y(t )  Y 0 

n 



n 1

Y n 2 sen(nwt   n )

(1.1)

Donde: Y0 : Yn : ω : φn :

3.4.8.

valor de la componente continua, generalmente nula. valor eficaz del armónico de rango n. pulsación de la frecuencia fundamental. desfase de la componente armónica para t=0.

Espectro de Fourier Es un histograma que muestra la amplitud de cada armónico en función al rango; el valor de los armónicos se suele expresar en porcentaje con respecto a la fundamental figura N° 20 y N° 21.

Figura N° 20: Función Periódica

3.4.9.

Figura N° 21: Espectro de Fourier

Armónicos Son voltajes y corrientes con frecuencias múltiplos enteros de la frecuencia fundamental (60Hz). Los armónicos son generados por las cargas no-lineales.

Ejemplo La distorsión de la forma de onda de corriente está compuesto de una onda senoidal fundamental a 60Hz y corrientes de frecuencias múltiplos de 60Hz tal como de 3er orden (180Hz), de 5to orden (300Hz), las cuales se adicionan dando como consecuencia una onda distorsionada (Fig. 1.22).


11

Armónica de orden 1 (Fundamental)

+ Armónica de Orden 3

+

Armónica de Orden 5

= Forma de Onda Distorsionada

Figura N° 22: Distorsión Armónica

O

Clasificación Los armónicos son clasificados según la frecuencia, orden y secuencia. En el siguiente cuadro se muestra la relación que existe en tres estos índices (Figura N° 23).

Figura N° 23: Clasificación Armónica

O

Componentes simétricas de una onda Una onda tendrá componentes asimétricas o simétricas según el rango de armónico presente. Las ondas simétricas (Figura N° 24) contienen solo armónicos impares y las ondas asimétricas (Figura N° 25) contienen tanto armónicos pares, como impares.

12


Figura N° 24: Onda Simétrica

Figura N° 25: Onda Asimétrica Muchos de los elementos del sistema eléctrico son simétricos, produciendo solamente armónicos impares y no tienen componente de corriente continua en el estado de estacionario. O

Circuito equivalente de una fuente de armónicos Cuando se aplica un voltaje sinusoidal a una resistencia no-lineal se produce una corriente distorsionada De la misma forma, si inyectamos una corriente sinusoidal a una resistencia no-sinusoidal, el voltaje a


13

través de la resistencia también se distorsiona (Fig. N° 26).

.... I3

I2

I1

I4

....In

Irms=I1+I2+I3+...In

Figura N° 26: Fuentes de Armónicos

3.4.10.

Distorsión Armónica (THD) Las corrientes armónicas al circular por el sistema de potencia producen caídas de voltaje armónicos que son capaces de distorsionar la onda del voltaje de suministro. La forma de evaluar un voltaje o una corriente distorsionada es a través del parámetro denominado distorsión armónica total THD (Total Harmonic Distorsion) La fórmula de THD es la siguiente: n 

h

n

THD(%) 

n 2

h1

*100%

(1.2)

Donde: h1 h2, h3, .., hn

: voltaje o corriente fundamental : armónica de voltaje o corriente presente en la señal medida

El THD se interpreta como: Que proporción de la señal de 60Hz representa la señal distorsionada.

3.4.11.

Factores Importantes O

Valor Eficaz Se llama valor eficaz de una corriente alterna, al valor que tendría una corriente continua que produjera la misma

14


potencia que dicha corriente alterna, al aplicarla sobre una misma resistencia. Es decir, se conoce el valor máximo de una corriente alterna (Io). Se aplica ésta sobre una cierta resistencia y se mide la potencia producida sobre ella. A continuación, se busca un valor de corriente continua que produzca la misma potencia sobre esa misma resistencia. A este último valor, se le llama valor eficaz de la primera corriente (la alterna). Para una señal senoidal, el valor eficaz del voltaje y de la corriente es: (1.3) (1.4)

La potencia eficaz resultará ser:

Es decir que es la mitad de la potencia máxima. La tensión o la potencia eficaz, se nombran muchas veces por las letras RMS, por ejemplo decir 10 V RMS ó 15 W RMS significará 10 voltios eficaces ó 15 watios eficaces, respectivamente.

O

Calculo del valor eficaz El valor eficaz de una magnitud alterna no senoidal es calcula a partir de su contenido de armónicos según la siguiente fórmula:

X EF 

1

T

X (t )dt   Xn T  0




2

n 1

2

(1.3)

15

El cuadro N° 02 muestra las principales formas de onda usadas en el área de ingeniería eléctrica y electrónica. Cuadro N° 02

Forma de Onda

Valor Eficaz

A T

V RMS 

2T

A 2

Onda Cuadrada A T

V RMS  A

2T

-A

Onda Rectangular A T

2T

V RMS 

A

V RMS 

A

V RMS 

A

3

Onda Triangular A T

2T

3

Diente de Sierra A T

2

Onda Rectificada A T

V RMS 

2T

A 2

Onda Completa

O

Porcentaje de armónicos individuales Esta magnitud representa la razón del valor eficaz de un armónico respecto al valor eficaz de la fundamenta (V1). Según la NTCSE el porcentaje de armónicos es con respecto al valor nominal.

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V n (%)

O



V n V 1

x100 %

(1.4)

Factor de cresta (FC) Esta magnitud representa la medida de la corriente o voltaje pico (Xpico) en comparación con su valor rms (root mean square o valor medio cuadrático) a fin de establecer las especificaciones de corriente pico de dispositivos y componentes. El FC de la onda de entrada se define mediante:

X pico

FC  O

X RMS

(1.5)

Potencia y factor de potencia La presencia de armónicos en un sistema eléctrico hace que se complique el cálculo de la potencia y factor de potencia. Existen tres cantidades estándares asociadas a la potencia   

Potencia Aparente (S) Potencia Activa (P) Potencia Reactiva (Q)

A la frecuencia fundamental, es común relacionar estas cantidades según:

P  S . cos( )

(1.6)

Q  S . sen( )

(1.7)

Donde  es el ángulo entre el voltaje y la corriente. El factor “cos()” es comúnmente llamado factor de potencia y se define según:

FP 

P S

(1.8)

la fórmulas 1.6 y 1.7 son utilizadas para determinar la potencia activa y reactiva en función de la frecuencia fundamental del sistema de potencia, ya que normalmente el


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voltaje de distorsión es generalmente bajo (THD menor a 5%), este cálculo es una buena aproximación independientemente de cómo este distorsionada la onda de corriente. Ante la presencia de armónicos se cumple la siguiente relación:

S  p 2  Q 2  D 2

(1.9)

Figura N° 27: Representación Geométrica de Potencias

Donde “D” representa distorsión de la potencia o distorsión del los voltamperes.

3.4.12.

Flicker El flicker es una impresión subjetiva de la fluctuación de iluminación o variación notoria instantánea de los niveles de iluminación, ocasionada por fluctuaciones de tensión en la red de alimentación eléctrica. Origina en quien la percibe una sensación desagradable (Figura N° 28). El flicker depende fundamentalmente de la frecuencia, amplitud y duración de las fluctuaciones de tensión que lo causan. Estas oscilan entre los 0.5Hz y los 30Hz de frecuencia. La tolerancia del flicker es de 1Pst (nivel de severidad de corta duración).

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LAMPARA

OJO HUMANO

FILTRO 8,8Hz

MOLESTIAS VISUALES CEREBRO

Figura N° 28: Flicker, un parámetro que afecta al ser humano

3.5.

Propósito de las normas de calidad de energía Algunos países tienen normas técnicas en donde definen tolerancias en cuanto a la variación de frecuencia y voltaje, otras normas limitan las armónicas de corriente y el voltaje de distorsión, fluctuaciones de tensión y duraciones de interrupciones de suministros. Controlar estos parámetros eléctricos significa definir terminologías relacionadas al control de la calidad de energía eléctrica y a los fenómenos que se generan a causa de estas. Las razones más importantes para elaborar una Norma Calidad de Energía son las siguientes: 

Definir las condiciones nominales de los equipos del sistema eléctrico Un ejemplo para definir las condiciones nominales podría ser: “La tensión debe de ser senoidal con una frecuencia de 60Hz y un valor rms de 220V” esta definición no es muy práctica ya que técnicamente no se puede mantener la magnitud de voltaje y frecuencia exactamente constante. En consecuencia. Existen definiciones que usan términos como “tensión nominal” o “tensión de contrato” (Fig. 1.29). “La frecuencia nominal será 60Hz y la tensión nominal será 220V”


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Sistema Interconectado Tensión de Contrato 210kV

Suminisro Tensión Nominal 220kV

Figura N° 29: Subestación Chavarria en Lima 

Definir una terminología nueva Las perturbaciones eléctricas hacen que cada vez sea más notoria la generación y propagación de armónicos en el sistema eléctrico debido a la creciente utilización de dispositivos no lineales, particularmente de tipo electrónico, que al mismo tiempo son fuentes generadoras de armónicos y pueden ser afectados por ellos. Es por ello que surge la necesidad de tener una terminología especial para analizar los problemas generados por las perturbaciones eléctricas.

Figura N° 30: Definiendo una Nueva Terminología

20




Definir límites a los problemas de calidad de energía Definir tolerancias de parámetros eléctricos los cuales son perjudiciales para el sistema eléctrico y así evitar pérdidas económicas (Figura N° 31).

Figura N° 31: Tolerancia de la 5ta armónica de tensión 6%

3.6.

Normatividad en el Perú En nuestro país se ha elaborado la Norma Técnica De Calidad De Los Servicios Eléctricos (NTCSE) la cual fue aprobada mediante el decreto supremo No 020-97 –EM el 09 de octubre de 1997 con el fin de garantizar a los usuarios un suministro eléctrico continuo, adecuado, confiable y oportuno. El control de la calidad toma en cuenta los aspectos de Calidad de Producto (voltaje, frecuencia, flicker y armónicas de voltaje), la calidad de suministro (interrupciones), calidad de servicio comercial (trato al cliente, medios de atención), y calidad de alumbrado público. Se fijan tolerancias y las respectivas compensaciones y/o multas por incumplimiento. Asimismo todo cliente es responsables ante el suministrador por aquellas perturbaciones que inyecte al sistema eléctrico que excedan las tolerancias establecidas (Figura N° 32).


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EMPRESA DE GENERACION

MT

AT

ENTIDAD FISCALIZADORA OSINERG (NTCSE)

BUENA CALIDAD DE ENERGIA

MAT

CLIENTE LIBRE

MT EMPRESA DE DISTRIBUCION MT

BUENA CALIDAD

BT

DE ENERGIA

CLIENTES EN BAJ A TENSION

Figura N° 32: El control de la calidad de energía empieza desde la empresa de generación hasta el usuario final. Las compensaciones se calculan en función de la potencia contratada o energía entregada al cliente por el suministrador en condiciones de mala calidad La NTCSE ha tenido modificaciones por los decretos supremos No 099-99EM el 10 de abril de 1999, No 013-2000-EM el 27 de julio del 2000 y No 017-2000-EM el 18 de setiembre del 2000 y No 040-2001-EM.

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4. RESUMEN 







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

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



La introducción de la electrónica en un gran número de aplicaciones, y sobre todo en el sector eléctrico, obliga a tener en cuenta un condicionante nuevo: “calidad de energía”. Actualmente los equipos industriales de alta tecnología se han convertido en poderosas fuentes de armónicos. Las cargas no lineales son las principales fuentes generadoras de armónicas. El término que tiene la misma frecuencia que la fundamental es el primer armónico, y a veces simplemente se le llama la fundamental En el análisis de sistema de potencia, normalmente solo tratamos con la frecuencia fundamental. Las matemáticas de fasores y la compleja aritmética utilizada para calcular el flujo de carga y los voltajes, se diseñan generalmente para una sola frecuencia. El fenómeno del flicker afecta la vista del ser humano cuando este excede el valor de 1Pst. Las condiciones nominales definen la tensión de operación del sistema, este valor podría ser diferente de la tensión nominal de placa. La electricidad es un producto y por tanto tiene que cumplir estándares mínimos para la satisfacción del usuario. El objetivo de la NTCSE es establecer los niveles mínimos de calidad de los servicios eléctricos y las obligaciones de las empresas de electricidad y los clientes que operan bajo el régimen de la Ley de Concesiones Eléctricas, Decreto Ley No. 25844. Cuando hablamos del control de calidad de energía nos estamos referiendo a la calidad de voltaje y corriente Controlar la calidad de energía es tarea de todos desde la empresa de generación hasta los usuarios finales. Las normas de referencia sobre calidad de energía se pueden clasificar en nacionales e internacionales.


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5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN P1.- ¿Porqué la calidad de energía está relacionada con la calidad de voltaje? P2.- En la Serie de Fourier ¿Qué es la frecuencia fundamental? P3.- ¿Qué diferencias existe entere las cargas lineales y no lineales? P4.- ¿Que es el espectro de Fourier? P5.- ¿Quiénes están obligados a cumplir con la NTCSE? P6.- Según la NTCSE, ¿Cuáles son los parámetros eléctricos que se debe de controlar? P7.- En caso que un suministrador inyecte armónicas al sistema eléctrico ¿En función a que parámetro eléctrico se calcula la multa que debería pagar?

6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN S1.- Debido a que la energía se expresa como la integral del producto del voltaje y la corriente. S2.- Es la frecuencia del 1er armónico o valor fundamental. S3.- La diferencia principal es que las cargas lineales no generan armónicos mientras que las cargas no lineales son fuentes generadoras de armónicos. S4.- Es la representación de las armónicas de una onda en función al rango y magnitud. S5.- Están obligados todas las empresas que operan bajo el régimen de la Ley de Concesiones Eléctricas, estas son las empresas de Generación, Transmisión y Distribución Eléctricas. S6.- Los parámetros eléctricos que se deben controlar son los siguientes:    

Voltaje Flicker Armónicos de Voltaje Frecuencia

S7.- En función a la potencia contratada o energía facturada al cliente.

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texto1 calidad de la energia electrica.pdf

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