UNIVERSIDAD CONTINENTAL FACULTAD DE INGENIERIA Es c u ela A c ad é m ic a Pr o fes fe s io n al d e In g en ier ía El é c tr ic a
TÍTULO: “LOS ARMÓNICOS EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICO S EN PLANTA
DE SERVICON”
Tesis para optar el Título de Ingeniero Electricista
AUTOR: HERNAN ROMAN BERROCAL
HUANCAYO – PERÚ ABRIL - 2014
INDICE
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1
Determinación del problema
1.2
Formulación del problema
1.3 1.4
Objetivos Justificación
CAPÍTULO II: MARCO TEORICO 2.1 Antecedentes del problema 2.2 Bases teóricas 2.3 Definición de términos básicos
CAPITULO III: HIPOTESIS Y VARIABLES 3.1
Hipótesis
3.2 Variables, operacionalización operacionalizaci ón
CAPITULO IV: METODOLOGIA 4.1 Método de la investigación investigaci ón 4.2 Diseño de la investigación 4.3 Población y muestra 4.4 Instrumentos 4.5. Técnicas de recolección de datos 4.6 Tratamiento estadístico
CAPÍTULO V: ASPECTOS ADMINISTRATIVOS 5.1 Presupuesto 5.2 Cronograma
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
INDICE
CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1
Determinación del problema
1.2
Formulación del problema
1.3 1.4
Objetivos Justificación
CAPÍTULO II: MARCO TEORICO 2.1 Antecedentes del problema 2.2 Bases teóricas 2.3 Definición de términos básicos
CAPITULO III: HIPOTESIS Y VARIABLES 3.1
Hipótesis
3.2 Variables, operacionalización operacionalizaci ón
CAPITULO IV: METODOLOGIA 4.1 Método de la investigación investigaci ón 4.2 Diseño de la investigación 4.3 Población y muestra 4.4 Instrumentos 4.5. Técnicas de recolección de datos 4.6 Tratamiento estadístico
CAPÍTULO V: ASPECTOS ADMINISTRATIVOS 5.1 Presupuesto 5.2 Cronograma
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Enunciado y formulación del problema
La energía eléctrica se distribuye generalmente en forma de tres tensiones que constituyen un sistema trifásico sinusoidal, uno de los parámetros del sistema es la forma de onda, que debe ser lo más parecida posible a una sinusoide. Es necesario corregir esta onda, si su deformación sobrepasa ciertos límites, frecuentemente alcanzados en las redes que tienen fuentes de perturbaciones armónicas, como son: hornos de arco, convertidores estáticos de potencia, o incluso ciertos tipos de alumbrado, etc. Con este fin, el presente trabajo de investigación pretende ser una contribución para un mejor conocimiento de los problemas de los armónicos, de sus causas y de las soluciones más comúnmente utilizadas en la industria. Para ello se formula la siguiente pregunta: ¿De qué manera afectan los armónicos en el sistema eléctrico en la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon en la ciudad de Pasco, de la provincia de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014? Sub preguntas. a. ¿Cómo minimizar el tipo de distorsiones armónicas en la planta? b. ¿De qué manera afecta
los afecta los armónicos producidos; en la
eficiencia eléctrica de la planta y cuáles son sus consecuencias?
1.2 Objetivos General. Analizar los fundamentos de los armónicos en los sistemas eléctricos, de explicar su generación y transmisión, así como el comportamiento de los equipos, tanto generadores como consumidores de armónicos y su problemática en el sistema eléctrico Específicos. a. Determinar y estudiar qué tipo de armónico se produce utilizando las cargas no lineales de la planta de concreto.
b. Mostrar una solución los armónicos producidos a fin de lograr mayor eficiencia de la energía para una mayor utilidad de la empresa.
1.3 Justificación e importancia El uso de equipos electrónicos en todo proceso industrial en una planta eléctrica genera armónicos, los cuales son perjudícales para el sistema eléctrico, en la actualidad en una planta se puede encontrar en gran cantidad con equipos que son caracterizados como cargas no lineales, estas son las que introducen una gran cantidad de armónicos al sistema eléctrico de distribución las cuales se propagan en toda la red del sistema de distribución eléctrica pudiendo ocasionar paradas inesperadas de planta, provocando pérdidas tanto de producción y económicas al usuario, para poder corregir o eliminar y
alargando la vida útil de los equipos
eléctricos, electrónicos hay que conocer la fuente de producción, una alternativa como minimizar la producción de los armónicos
CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes del problema Nacionales CHÁVEZ TAIPE Gina Mabel, en su tesis “ ALTERNATIVA ÓPTIMA DE COSTO MÍNIMO FRENTE A LA PROBLEMÁTICA DE LA CALIDAD DEL SERVICIO ELÉCTRICO” en la
Universidad NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ,
Huancayo Perú 2011; para optar el Título de Ingeniero Electricista; realiza un estudio investigativo donde menciona: En la presente tesis se analiza la problemática de la Calidad del Servicio Eléctrico en redes de media tensión, desarrollando un procedimiento que permita minimizar las pérdidas técnicas, mejorar el perfil de tensiones y analizar los armónicos en el sistema, se analizan distintas alternativas, teniendo como objetivo seleccionar la alternativa óptima de mínimo costo y que cumpla con las condiciones que establece la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos, para lo cual se desarrolla un algoritmo que permite la ubicación óptima de condensadores y un procedimiento para el análisis de armónicos. El resultado es desarrollar una metodología que permita seleccionar los kVAR necesarios en la red para obtener mayores beneficios considerando los niveles de armónicos que se presentan en el sistema. Ilustrándose la efectividad de dicha metodología. Para la realización del presente trabajo se consideraron 4 capítulos, en el capítulo I se plantean los antecedentes generales del trabajo de investigación, para luego en el capítulo II desarrollo del marco teórico considerando los efectos de la
potencia reactiva, la reducción de pérdidas, el compensador síncrono, flujo de carga en sistemas de distribución y las características de la Norma Técnica de Calidad; en el capítulo III se analiza La situación de la red, tales como la demanda actual y proyectada, ingeniería básica y los parámetros económicos, para finalmente en el capítulo IV se realiza las el detalle de las especificaciones técnicas correspondientes relacionados al banco de condensadores, al regulador de tensión, así como el metrado y presupuesto para la determinación de la alternativa óptima de costo mínimo frente a la calidad del servicio eléctrico. GÁLVEZ CARRILLO Manuel Ricardo, en su Tesis “DIRECCIONA LIDAD DE CORRIENTES ARMÓNICAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA ” en la Universidad de Piura, Lima Perú 2003, para optar el título profesional de Ingeniero Mecánico – Eléctrico en su estudio de investigación nos menciona: El presente trabajo de tesis se centra en el estudio y explicación de una metodología teóricamente válida y de fácil implementación para la determinación de la direccionalidad de las corrientes armónicas en un sistema de distribución eléctrica.
El estudio de los fundamentos, causas, efectos, soluciones a los
problemas de los armónicos, así como de la normativa vigente, tanto nacional como internacional ha sido necesaria para llegar al análisis y exposición de una metodología basada en un concepto nuevo: la impedancia crítica. El presente trabajo de tesis además muestra una aplicación práctica a un caso real, involucrando dos empresas fabriles: UCISA y ALICORP, con presencia de perturbación
armónica
ELECTRONOROESTE S.A
conectadas
a
la
empresa
distribuidora
Para la situación de máxima demanda actual de las
fábricas, el análisis de simulación que inicia con un estudio a frecuencia nominal, seguido de un estudio mediante el método de inyección de corrientes armónicas y la posterior aplicación de la metodología desarrollada, indica que la mayor responsabilidad en la perturbación de la calidad de onda de tensión recae sobre las empresas fabriles.
Internacionales REYES CALDERON Gilberto, en su tesis “ARMONICOS EN SISTEMAS DE
DISTRIBUCION DE ENERGIA ELCTRICA” en la Universidad Autónoma de Nueva León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, España 1996, para obtener el título de Master Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad de potencia, nos menciona. Las armónicas son un tema de creciente interés debido a los muchos y variados efectos que ocasionan en las redes de distribución eléctrica; también ocasionan interferencias con los equipos de medición, protección, control y comunicación. Por otra parte la filosofía actual recomienda un aprovechamiento máximo de la energía eléctrica, lo cual conduce a un compromiso entre los proveedores y consumidores de mantener una buena calidad de la energía eléctrica en el punto de acoplamiento común (PAC), a este respecto ya se han emitido por parte de varias instituciones, entre ellas el Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos (IEEE), estándares que recomiendan los límites armónicos permitidos en el PAC. Con este trabajo se pretende dar a conocer las fuentes y efectos principales de las armónicas en la red eléctrica y los equipos industriales utilizados en la transformación y aprovechamiento de la energía eléctrica, así como también exponer la metodología básica de análisis del problema armónico y los medios de supresión. Normalmente las armónicas no se eliminan completamente sino que se reducen sólo a niveles permisibles y seguros, normalizados por estándares, como los límites establecidos por el estándar 519 del IEEE. En los estudios armónicos se modelan equivalentes de la red eléctrica mediante paquetes computacionales con los que se obtiene valiosa información del comportamiento de la red ante fuentes armónicas.
BYRON JULIÁN Villatoro Martínez, en su tesis “TEORÍAS DE DISEÑO DE FILTROS ACTIVOS PARA MITIGACIÓN DE ARMÓNICOS EN SISTEMAS
ELÉCTRICOS DE POTENCIA”
en
Universi dad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Guatemala, 2009, para optar el grado de TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA; realiza un estudio investigativo. Desde finales del siglo pasado al sistema eléctrico de potencia se le han adherido
cargas de carácter no lineal en una mayor proporción, lo cual ha
originado un creciente nivel de distorsión armónica, lo que da lugar a perturbaciones en el transporte, distribución y consumo de energía eléctrica. El elevado contenido de armónicos, cuya energía de distorsión asociada no se traduce finalmente en trabajo útil, pero si provoca la aparición de problemas en la red y en las cargas conectadas a ella. Dicha creciente de cargas no lineales se debe a que en la actualidad las empresas
utilizan equipos que basan su funcionamiento en componentes de
electrónica de potencia con el único fin de que estos equipos simplifiquen el trabajo, y que la calidad
y cantidad de la producción aumente.
Por ende ante esta
situación se ha visto en la necesidad de aplicar medidas que conlleven a mantener los sistemas eléctricos con una calidad de energía adecuada y así aprovechar las ventajas de la tecnología de los equipos electrónicos que ayudan a incrementar la productividad, confort y ahorro de energía. El análisis detallado de los diferentes tipos de perturbaciones que se presentan en la red eléctrica es de vital importancia para los ingenieros eléctricos y electrónicos, con el propósito de poder crear dispositivos electrónicos que puedan contrarrestar dichos efectos negativos que se producen en dicha red. Es por ello que en este documento se presentan las teorías sobre la potencia reactiva instantánea para sistemas trifásicos, el objetivo inicial de dichas teorías fue eminentemente práctico, servir de base al diseño de filtros activos de potencia, quienes hoy en día son los encargados de contrarrestar estos efectos, con el único fin de que las ondas de corriente y voltaje no se vean afectados, y así no causar daños a todos los que utilizamos este servicio. La teoría original fue publicada en 1983 por Akagi-Kanazawa-Nabae y es a ellos a quien debe su nombre. Posteriormente
han aparecido otras formulaciones
alternativas, aunque todas ellas con un claro nexo de inspiración en la teoría original. Un filtro activo de potencia es un circuito electrónico de potencia que se conecta, o bien en paralelo con la carga actuando como
una fuente de intensidad
controlada, o bien en serie actuando como una fuente de tensión.
2.2. Bases teóricas Hoy en día se ha considerado para los filtros activos de potencia la compensación senoidal o la compensación del factor de potencia. También se efectúa un recorrido de los principios de funcionamiento, de las aplicaciones y de las topologías más recientes de los denominados filtros activos de potencia como equipos correctores para la falta de calidad de la potencia eléctrica. Para el correcto desarrollo del estudio de armónicos es necesario indicar los conceptos fundamentales y definiciones que permitan realizar un análisis técnico para dar solución a las dificultades técnicas presentados por consecuencia de los armónicos en las redes eléctricas. 2.2.1.1. Series de Fourier La aplicación más intuitiva de la teoría de Fourier es aquella que se refiere al tratamiento de las señales periódicas, ya que sus resultados tienen una sencilla interpretación física, tal y como se verá a continuación. 2.2.2. Funciones periódicas En primer lugar es necesario definir el concepto de función periódica como aquella cuyos valores se repiten a intervalos regulares, el tiempo entre las sucesivas repeticiones es lo que se conoce como período. Matemáticamente, podemos decir que una función temporal es periódica cuando se cumple la siguiente relación: f(t) = f(t + T) Para todo valor de t. La constante mínima que satisface la anterior relación es denominada período (T) que, en el caso de funciones temporales, se expresa en segundos. A la parte de la función que abarca un tiempo equivalente a un período T se le denomina ciclo.
En una función periódica se define la frecuencia como la inversa de período, o sea, como el número de ciclos por segundo: fr = 1/ T Su unidad es el Hercio (Hz). Si se supone que un ciclo equivale a 2π radianes, entonces el número de radianes en un segundo es lo que se conoce como pulsación o frecuencia angular en rad/s o en 1/s:
Generalmente a los términos frecuencia y pulsación se les sueles denominar indistintamente como frecuencia aunque se ha de tener en cuenta que sus unidades son distintas. En una onda periódica se definen el valor de pico máximo F p+ y el valor de pico mínimo Fp- como sus valores máximos y mínimos en un período, respectivamente. El valor de pico a pico F pp es la diferencia entre ambos:
Unos valores típicamente asociados a una función periódica son el de su valor medio:
y su valor eficaz2 o RMS:
Donde las integrales se han definido entre 0 y T, aunque es válido cualquier intervalo que abarque un período, p.e. de –T/2 a +T/2. Una de las ondas periódicas más representativas es la sinusoidal (ver Ilustración II-1), cuya expresión es:
Siendo A lo que se conoce como amplitud y θ su fase inicial. En este caso el valor de pico (máximo y mínimo) es F p = A y el valor de pico a pico F pp = 2A. Asimismo, el valor medio para esta forma de onda es igual a cero y su valor eficaz A/raíz 2. 2.2.3. Serie de Fourier 2.2.3.1. Obtención de la Serie de Fourier La teoría de Fourier afirma que cualquier función periódica f(t), ya sea más o menos compleja, se puede descomponer en suma de funciones simples, sinusoidales, cuya frecuencia es múltiplo de la función periódica. Esto es, dicha función se puede descomponer en una serie armónica infinita (ver Ilustración II-2) expresada como:
Dónde:
ω0 (o 0 fr = ω 0 /2π) es la frecuencia de la función periódica y recibe el nombre de frecuencia fundamental a n, bn, Cn y θ n son los coeficientes de la Serie de Fourier que definen las senoides cuya frecuencia es múltiplo de la fundamental. La componente de la Serie de Fourier cuya frecuencia coincide con la fundamental (n=1) recibe el nombre de componente fundamental: a 1 cos ω0t + b1
sentω1 o C ωocos(ω0t - ϴ1. Al resto de las componentes se les denomina componentes armónicas, así el armónico de orden n o enésimo sería aquel cuya
frecuencia es n veces la fundamental:ancosnωot + bn senω0t o Cn cos(nV0t – θn). Igualmente, la frecuencia de las componentes armónicas recibe a su vez el nombre de frecuencia armónica. En el caso de Cn y θn, ésta s se suelen llamar además amplitud armónica y ángulo de fase. Los valores de a 0/2 y C0 representan el valor medio de la función f(t) a lo largo de un período por lo que reciben el nombre de componente continua. Para el cálculo de los coeficientes de Fourier se emplean las integrales:
Además de las siguientes relaciones:
Donde la notación de ∫T dt3 significa que está extendida a un período cualquiera de la función periódica f(t), por ejemplo de -T/2 a +T/2, ó de 0 a T, Alternativamente, la Serie de Fourier se puede representar de forma que incluya los valores eficaces de los distintos armónicos:
Donde cada coeficiente C n′ representa el valor eficaz del armónico de orden n, es decir:
2.2.4. Espectro de frecuencia Las expresiones anteriores ponen de manifiesto que una función periódica queda descompuesta en una serie infinita de funciones sinusoidales que tienen diferentes frecuencias, todas ellas múltiplos de la frecuencia de la función ω0, tal y como se muestra en Ilustración.
2.2.5. Índices de distorsión En ciertas áreas de la ingeniería es interesante establecer un parámetro que permita evaluar cuánto se aleja una forma de onda periódica de una sinusoidal de la misma frecuencia, de forma que cuando una forma de onda no es sinusoidal se dice que está distorsionada. Uno de los parámetros más empleados para evaluar la distorsión es la tasa de distorsión armónica total (THD4) la cual relaciona la amplitud (o el valor eficaz) de los armónicos de una forma de onda con el de su componente fundamental, y se define como:
Donde el valor de N es el número del armónico máximo que se va a tener en cuenta para el cálculo del THD. Por ejemplo, en ingeniería eléctrica este valor es típicamente 40, o sea, que se evalúa la distorsión de una forma de onda, de tensión o intensidad, teniendo únicamente en cuenta los 40 primeros armónicos. Según esta definición una onda sinusoidal tiene un valor de THD del 0%, mientras que para una onda cuadrada (como la mostrada en la Ilustración II-3) este valor es del 48.3%. Camilo José Carrillo González, Fundamentos del Análisis de Fourier Departamento de Enxeñería Eléctrica Escola Técnica Superior de Enxeñeiros Industriáis,
Universidade
de
Vigo,
2003,
recuperado
de
webs.uvigo.es/grupo_ene/publicaciones/Apuntes_Fourier.pdf.
2.2.6. Fuentes de armónicas Los equipos electrónicos modernos hacen que el trabajo se simplifique, que la calidad, y cantidad de la producción aumenten, o que la duración de los elementos de iluminación se alargue. Este tipo de carga es conocido como carga no lineal y su características principales son:
Control de eficiencia y carga de motores utilizando semiconductores y computadoras, los cuales producen formas de onda de voltaje y corriente irregular. Dispositivos de control de velocidad, como los utilizados en tracción. Trasmisión de corriente directa en alto voltaje, debido a que la conversión de CD y CA produce corrientes armónicas y la posibilidad de propagación debido a la interconexión. Esta fuente no obstante, está limitada debido al uso de filtros en todas las terminales de CD. REYES, 1996, p.11. Así como los dispositivos ferromagnéticos son los que producen armónicos en la red provocando: Deformación o rizo en la forma de onda de voltaje de las máquinas eléctricas debido a pulsaciones y oscilaciones de flujo magnético originado por el movimiento de los polos frente a los dientes de la armadura. Variación de la reluctancia del entrehierro debido a la inclinación de los polos del motor síncrono, lo que origina variaciones en el flujo magnético que afecta la forma de onda y se traduce en generación de armónicas. Distorsión del flujo magnético de motores síncronos debido a efectos de carga. Los cambios grandes de carga provocan cambios súbitos de la velocidad sin cambio en el flujo magnético, lo cual causa una distorsión de la señal. Generación de fem's no senoidales debidas a la distribución no senoidal del flujo magnético en el entrehierro de los motores síncronos. Corrientes no senoidales. Típicas de estas no linealidades son los rectificadores, inversores, soldadoras, hornos de arco eléctrico, controladores de voltaje de estado sólido y convertidores de frecuencia. REYES, 1996, p.10.
Tipos de perturbación
Sistemas de transmisión y
C transformadores de energía a
Proceso Du
eléctrica
ku
Au
u para maquinas Alimentacion s FFCC, bombas y herramientas,
curva tecnológica, arranque
X
transportadores a carga de todo tipo controladas por Conexiones y
s
X
grupo de ondas
desconeciones cíclicas
cargas monofasicas sin
Fenómenos eléctricos de
distribución d uniforme
operación
Líneas Principales superiores a e
Corona
X
Proceso de operación
X
110Kv
Lamparas de descarga de alta y
c baja presión Contactos, aterminales y
X
Envejecimiento y fallas
X
b
Proceso de operación
X
i
Proceso tecnológico de
o
operación
conectores de todo tipo
m
Líneas con transposición insuficiente
Arco electrometalúrgico
s Máquinas soldadoras
Proceso tecnológico de
Rectificadores e inversores
Proceso tecnológico de
d y no controlados controlados
operación
Transformadores de una y tres y e
Procesos eléctricos,
cinco columnas
operación en vacio
operación
X
X
X
X
X
X X
amplitud Du, armónicos Ku y Asimetrías de las tensiones en una red eléctrica trifásica (Reyes, 1996, p. 12) Existen equipos cuyo consumo es no lineal cuyo empleo masivo, su consumo no es no sinusoidal se relaciona con el empleo de un circuito de rectificación o fuente de poder de alimentación conocidos como equipos
electrónicos. “La fuente principal de armónicas en las plantas industriales son los convertidores estáticos de potencia y para conocer las armónicas que producen se requiere información precisa de las formas de onda de voltaje CA en las
terminales del con vertidor” (Reyes, 1996, p.13). Paradójicamente son equipos de ahorro de energía. 2.2.6.1. Motores Y Generadores Las maquinas rotativas generan armónicos y desbalances en el sistema sobre los motores, “Las pérdidas en el motor debidas a las corrientes armónicas son influenciadas por una gran variedad de parámetros, las pérdidas a partir de
la quinta armónica” (Reyes, 1996, p. 17). Sin embargo uno de los casos más problemáticos es cuando en el voltaje de alimentación de los motores se encuentran voltajes armónicos. 2.2.6.2. Transformadores Por ser dispositivo ferromagnético causa armónicos pero no es
considerable pero en situaciones de falla si aporta armónicos a la red. “Los transformadores modernos en condiciones de estado estable no causan por sí mismos una distorsión significativa en la red eléctrica. No obstante, durante perturbaciones transitorias pueden aumentar considerablemente su contribución
armónica” (Reyes, 1996, p. 18). Y por ser parte fundamental de un sistema eléctrico no es ajeno de estudio.
2.2.7. Efecto de las armónicas Los armónicos producidos son perjudiciales para todos los componentes
de un sistema eléctrico. “ En los sistemas eléctricos, tenemos armónicos pueden perturbar las dispositivos de regulación. También pueden influir en las condiciones de conmutación de los tiristores cuando desplazan el paso por cero
de la tensión” (IEC 60146 -2). Sobrecarga en bancos de capacitores. El esfuerzo dieléctrico es proporcional al voltaje de cresta, el cual puede aumentar o disminuir por los voltajes armónicos. Interferencia en el rango de audiofrecuencias con señales de control y líneas de energía. Corrientes armónicas en motores de inducción y sincrónicos que causan pérdidas adicionales de energía y calentamiento. Estos efectos son, en su mayor parte, atribuibles a armónicas de orden menor y altas magnitudes de amplitud. Inestabilidad dieléctrica de cables aislados como resultado de sobrevoltajes del sistema.
Interferencia inductiva con los sistemas de comunicación, que resulta del acoplamiento inductivo entre las frecuencias armónicas y las líneas de comunicación. Errores en los equipos de medición, debido a que generalmente los diseños consideran señales sinodales puras. Reyes, 1996, p.21. También se producen fallas en los componentes del sistema eléctrico como se mencionan a continuación:
Falla del dieléctrico de los bancos de condensadores o sobrecarga de potencia reactiva
Interferencias inductivas sobre los sistemas de comunicación
Falla en el aislamiento de los cables de energía como resultado de una sobretensión por armónicos en la red.
Sobretensiones y excesiva corriente sobre el sistema debido a la resonancia del armónico con la red.
Errores en la medición en contadores de energía de inducción.
Posibles interferencias en relés electrónicos
Oscilaciones mecánicas de máquinas síncronas e inducción
Operación inestable de circuitos de disparo basados en la detección del cruce de la tensión por cero.
Estos efectos dependen de la ubicación de la fuente de armónicos y de las características de la red (Chávez, 2011, p.60)
2.2.8. Principales disturbancias causadas por armónicos de corriente y voltaje. Los armónicos de corriente y voltajes sobrepuestos a la onda fundamental tienen efectos combinados sobre los equipos y dispositivos conectados a las redes de distribución. Para detectar los posibles problemas de armónicos que pueden existir en las redes e instalaciones es necesario utilizar equipos de medida de verdadero valor eficaz, ya que los equipos de valor promedio sólo proporcionan medidas correctas en el caso de que las ondas sean perfectamente sinusoidales. En el caso en que la onda sea distorsionada, las medidas pueden estar hasta un 40 % por debajo del verdadero valor eficaz
El efecto principal causado por los armónicos consiste en la aparición de voltajes no sinusoidales en diferentes puntos del sistema. Ellos son producidos por la circulación de corrientes distorsionadas a través de las líneas. La circulación de estas corrientes provoca caídas de voltaje deformadas que hacen que a los nodos del sistema no lleguen voltajes puramente sinusoidales. Mientras mayores sean las corrientes armónicas circulantes a través de los alimentadores de un sistema eléctrico de potencia, más distorsionadas serán los voltajes en los nodos del circuito y más agudos los problemas que pueden presentarse por esta causa. Los voltajes no sinusoidales son causantes de numerosos efectos que perjudican los equipos conectados al sistema. Entre estos efectos se pueden mencionar la reducción de la vida útil del equipamiento de potencia así como la degradación de su eficiencia y funcionamiento en general. Los efectos perjudiciales de estos armónicos dependen del tipo de carga encontrada, e incluye:
Efectos instantáneos.
Efectos a largo plazo debido al calentamiento.
2.2.8.1. Efectos instantáneos Armónicos de voltajes pueden distorsionar los controles usados en los sistemas electrónicos. Ellos pueden por ejemplo afectar las condiciones de conmutación de los tiristores por el desplazamiento del cruce por cero de la onda de voltaje. Los armónicos pueden causar errores adicionales en los discos de inducción de los metros contadores. Por ejemplo, el error de un metro clase 2 será incrementado un 0.3 %, en presencia de una onda de tensión y corriente con una tasa del 5 % para el 5° armónico Las fuerzas electrodinámicas producidas por las corrientes instantáneas asociadas con las corrientes armónicas causan vibraciones y ruido, especialmente en equipos electromagnéticos (transformadores, reactores, entre otros). Torques mecánicos pulsantes, debido a campos de armónicos rotatorios pueden producir vibraciones en máquinas rotatorias. Perturbaciones son observadas cuando líneas de comunicación y control son distribuidas a lo largo de líneas de distribución eléctricas que conducen
corrientes distorsionadas. Parámetros que deben tenerse en cuenta incluyen: la longitud que se encuentran dichas líneas en paralelo, las distancias entre los dos circuitos y las frecuencias armónicas. Los armónicos son causantes de numerosos problemas de operación en los sistemas de protección. Entre ellos está la operación incorrecta de fusibles, de interruptores y equipos y/o sistemas digitales de protección. Para el caso de equipos protegidos contra sobre voltajes cuyos sistemas de protección también estén diseñados para operar con voltajes sinusoidales, estos pueden operar incorrectamente ante la aparición de formas de onda no sinusoidales. Esta operación incorrecta puede ir desde la sobreprotección del equipo hasta la desprotección del mismo por la no operación ante una forma de onda que podría dañarlo de forma severa. El caso típico se presenta ante formas de onda que presentan picos agudos. Si el dispositivo de medición está diseñado para responder ante
rms
de la forma de onda, entonces estos cambios abruptos
pudieran pasar sin ser detectados y conllevarían a la desprotección del equipo ante aquellos picos agudos dañinos, que no provoquen un aumento notable de la magnitud medio cuadrática sensada. También pudiera ocurrir el caso contrario, el disparo ante valores no dañinos para el equipo protegido. En estos casos el ajuste de la protección deberá depender de las características de la forma de onda: voltajes pico y rms tiempo de crecimiento de la onda, entre otros. Las protecciones convencionales no tienen en cuenta todos estos parámetros y lo que toman como base del proceso de protección, lo hacen sobre la suposición de que la forma de onda es puramente sinusoidal lo cual puede ser aceptado para algunas formas de onda pero incorrecto para otras que pueden ser dañinas 2.2.8.2. Efectos a largo plazo El principal efecto a largo plazo de los armónicos es el calentamiento. 2.2.8.2.1. Calentamiento de capacitores Las pérdidas causadas por calentamiento son debidas a dos fenómenos: conducción e histéresis en el dieléctrico. Como una primera aproximación, ellas son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado para conducción y a la frecuencia para histéresis. Los capacitores son por consiguiente sensibles a sobrecargas, tanto debido a un excesivo voltaje a la frecuencia fundamental o a la presencia de tensiones armónicas.
2.2.8.3. Calentamiento debido a pérdidas adicionales en máquinas y transformadores Pérdidas adicionales en el estator (cobre y hierro) y principalmente en el rotor (devanado de amortiguamiento, y circuito magnético) de máquinas causadas por la diferencia considerable en velocidad entre el campo rotatorio inducido por los armónicos y el rotor. En los transformadores existirán pérdidas suplementarias debido al efecto pelicular, el cual provoca un incremento de la resistencia del conductor con la frecuencia, también habrá un incremento de las pérdidas por histéresis y las corrientes de eddy o Foucault (en el circuito magnético). 2.2.8.4. Calentamiento de cables y equipos Las pérdidas son incrementadas en cables que conducen corrientes armónicas, lo que incrementa la temperatura en los mismos. Las causas de las pérdidas adicionales incluyen:
Un incremento en la resistencia aparente del conductor con la frecuencia, debido al efecto pelicular.
Un aumento del valor eficaz de la corriente para una misma potencia activa consumida.
Un incremento de las pérdidas dieléctricas en el aislamiento con la frecuencia, si el cable es sometido a distorsiones de tensión no despreciables.
El fenómeno relacionado con la proximidad, de envolventes, de pantallas (conductores revestidos) puestas a tierra en ambos extremos, entre otros.
De una forma general todos los equipos (cuadros eléctricos) sometidos a tensiones o atravesados por corrientes armónicas, sufren más pérdidas y deberán ser objeto de una eventual disminución de clase. Por ejemplo, una celda de alimentación de un condensador se dimensiona para una intensidad igual a 1.3 veces la corriente reactiva de compensación. Este sobredimensionamiento no tiene en cuenta sin embargo el aumento del calentamiento debido al efecto pelicular en los conductores.
Muchas de las anomalías que ocasiona la circulación de corrientes de frecuencias que no son propiamente del sistema, a través de él y de los equipos conectados, causando en ocasiones problemas de operación, tanto a la empresa suministradora como al usuario, se deben a las siguientes razones: a. Las frecuencias del flujo de potencia de tensiones y corrientes sobrepuestas a las ondas de flujo de 50 ó 60 ciclos, originan altas tensiones, esfuerzos en los aislamientos, esfuerzos térmicos e incrementan las pérdidas eléctricas. b. Muchos aparatos eléctricos son diseñados para aceptar y operar correctamente en potencia de 50 ó 60 ciclos, pero no responden bien a cantidades significantes de potencia a diferentes frecuencias. Esto puede causar ruido en el equipo eléctrico, problemas mecánicos y en el peor de los casos falla del equipo. c. Los armónicos generados en un sistema eléctrico pueden crear niveles altos de ruido eléctrico que interfieran con las líneas telefónicas cercanas. d. La presencia de frecuencias diferentes a la nominal en la tensión y en la corriente, regularmente no son detectables por un monitoreo normal, por mediciones o por el equipo de control; por lo que su presencia no se nota. Por ejemplo los medidores residenciales monofásicos no detectan frecuencias mucho más arriba de 6 ciclos. Frecuentemente la primera indicación de la presencia significativa de armónicos es cuando causan problemas de operación o fallas del equipo. http://www.monografias.com/trabajos21/armonicos/armonicos.shtml#ixzz2zxW6X cI4.
2.3. Definición de términos básicos Armónicos: Componente de la tensión o corriente cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de la onda fundamental. Los armónicos son esencialmente el resultado de loa equipos electrónicos actuales. La electrónica de hoy en día ha diseñado para absorber corriente en forma de “pulsos” en vez de hacerlo suavemente en forma sinusoidal, como lo hacían los antiguos equipos que no
eran electrónicos. Estos pulsos producen formas de onda de corriente distorsionada, lo cual a su vez produce una distorsión de la tensión. Los armónicos de la tensión y de la corriente pueden provocar problemas como el calentamiento excesivo en el cableado, las conexiones, los motores y transformadores y pueden producir un disparo aleatorio de los interruptores automáticos. Calidad de energía eléctrica: En condiciones ideales de operación, las formas de onda de tensión y corriente que fluyen en un sistema eléctrico de potencia son sinusoidales de frecuencia única y constante. Factor de potencia: El factor de potencia se define como la relación entre la potencia activa P y la potencia aparente S. Falla: 1. Es una alteración o daño permanente o temporal en cualquier parte del equipo, que varía sus condiciones normales de operación y que generalmente causa un disturbio. II 2. Perturbación que impide la operación normal. Frecuencia: En sistema de corriente alterna, velocidad a la que la corriente cambia la dirección, expresada en hercios (ciclos por segundo); medida del número de ciclos completos de una forma de onda por unidad de tiempo. Generador : dispositivo electromagnético por medio de la cual se convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Hercio (Hz): unidad de frecuencia igual a un ciclo por segundo. 2. En la corriente alterna, los números de cambios de ciclos positivo y negativo por segundo. Instalación: Infraestructura creada por el sector eléctrico, para la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica, así como la de los permisionarios que se interconectan con el sistema. Línea de transmisión: Es un conductor físico por medio del cual se transporta energía eléctrica a niveles de tensión alto y medio, principalmente desde los centros de generación a los centros de distribución y consumo.//Elemento de transporte de energía entre dos instalaciones del sistema eléctrico. Red de Distribución: Conjunto de alimentadores interconectados y radiales que suministran a través de los alimentadores la energía a los diferentes usuarios. Sistema eléctrico: Comprende el conjunto de medios y elementos útiles para la generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Este conjunto está dotado de mecanismos de control, seguridad y protección.
Subestación eléctrica: conjunto de aparatos eléctricos localizados en un mismo lugar, y edificaciones necesarias para la conversión o transmisión de energía y edificaciones necesarias para la conversión o transformación para el enlace de dos o más circuitos. Transformador: (%THD, Distorsión Armónica Total) contribución de todas las corrientes o tensiones armónicas a la tensión o corriente fundamental, expresada como un porcentaje de las mismas. Resonancia: conjunto de fenómenos relacionados con los movimientos periódicos o casi periódicos en que se produce reforzamiento de una oscilación al someter el sistema a oscilaciones de una frecuencia determina.
CAPITULO III HIPÓTESIS Y VARIABLES
3.1. Hipótesis Afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014 de forma negativa para todo el sistema 3.2. Sub Hipótesis: a. Afectan los armónicos en el sistema eléctrico de la planta de concreto reduciendo la vida útil de los componentes eléctricos. b. En el sistema eléctrico de la planta de concreto se se presenta armónicos de orden 3°, 5° y 7°.
CAPITULO IV METODOLOGIA
4.1. Método, tipo y nivel de investigación Descriptivo.- Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades, las características, y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir únicamente pretenden medir o recoger información de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o variables a las que se refieren, esto es, objetivo no es indicar como se relacionan estas. Hernández, Fernández & Baptista. (2010) Metodología de la Investigación. 5ta Edición, Cap.5. pag.80
4.2. Diseño de investigación Descriptivo Comparativo.- Objetivo Específico: Comparar realidades de 2 conjuntos de elementos.
• M1 y M2: Muestras 1 y 2 ó Población 1 y 2.
• Xi: Variable(s) de estudio • O1 y O2: Observaciones 1 y 2: Resultados (=, ≠, ~) de las comparaciones. Este diseño parte de la consideración de dos o más investigaciones descriptivas simples; esto es, recolectar información relevante en varias muestras con respecto a un mismo fenómeno o aspecto de interés y luego caracterizar este fenómeno en base a la comparación de los datos recogidos, pudiendo hacerse esta comparación en los datos generales o en una categoría de ellos. Alva Santos A. Diseño Metodológico
4.3. Población y muestra Muestra: Motores y transformadores Población: Planta de concreto de concreto
4.4. Técnicas de recolección de datos Instrumentos de de medicion de parametros estableciod en normas nacionales e internacionales. Instrumentos de Medición
Analizador de Redes
Unidad de Medida
Hercios
Descripción
Un Analizador de Redes es un instrumento capaz de analizar las propiedades de las redes eléctricas, especialmente aquellas propiedades asociadas con la reflexión y la transmisión de señales eléctricas, conocidas como parámetros de dispersión (Parámetros-S). Los analizadores de redes son más frecuentemente usados en altas frecuencias, que operan entre los rangos de 9 kHz hasta 110 GHz.
Un osciloscopio es un instrumento de medición el ectrónico para la representación
Osiloscopio
Hercios
gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tie mpo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectro.
Pinza Amperimetrica
Amperios
Voltimetro
Voltios
Watimetro
Watios
La pinza amperimétrica es un tipo especial de amperímetro que permite obviar el inconveniente de tener que abrir el circuito en el que se quiere medir la corriente para colocar un amperímetro clásico. El funcionamiento de la pinza se basa en la medida indirecta de la corriente c irculante por un conductor a partir del cam po magnético o de los campos que dicha circulación de c orriente que genera. Recibe el nombre de pinza porque consta de un sensor, en forma de pinza, que se abre y abraza el cable cuya corriente queremos medir. Un voltímetro es aquel aparato o dispositivo que se utiliza a fin de m edir, de manera directa o indirecta, la diferencia potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Se usa tanto por los especialistas y reparadores de artefactos eléctricos, como por aficionados en el hogar para diversos fines; la tecnología actual ha permitido poner en el mercado versiones económicas y al mismo tiempo precisas para el uso general, dispositivos presentes en cualquier casa de ventas dedicada a la electrónica El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tas a de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas fijas, llamadas «bobinas de c orriente», y una bobina móvil llamada «bobina de potencial». .
Imagen
4.5. Técnicas de tratamiento de datos Los datos obtenidos de la mediciones son pruebas paramétricas, para ello se tendrán un tratamiento según parámetros y estándares planteadas por nomas nacionales e internacionales.
CAPITULO V ASPECTOS ADMINISTRATIVOS
5.1. Presupuesto Descripción
Honorarios Transporte local Útiles de Oficina - Hojas
Cantidad
Costo
Total UCCI
Otra entidad
Total
Mensual Mensual
S/. 3,000.00 S/. 500
0 0
0 0
S/. 3,000.00 S/. 500.00
millar
S/. 21
0
0
S/.
21.00
-
Lapiceros
10
S/. 2
0
0
S/.
20.00
-
Folter
10
S/. 1
0
0
S/.
5.00
Equipos y materiales -
Analizador redes
1
S/. 2,500
0
0
S/. 2,500.00
-
Osiloscopio
1
S/. 1,500
0
0
S/. 1,500.00
- Amperimetros
1
S/. 150
0
0
S/.
150.00
-
Voltimetros
1
S/. 120
0
0
S/.
120.00
-
Vatimetros
1
S/. 200
0
0
S/.
200.00
S/. 450
0
0
S/.
450.00
Otros gastos TOTAL:
S/. 8,466.00
5.2. Cronograma ACTIVIDADES
Evaluación del sistema electrico y de las maquinas Revision Bibliográfica Pruebas y mediciones 1ra parte Estudio y pruebas de campo Gabinete – cálculos
Pruebas y mediciones 2da Parte Redacción de Informe
Mes
Mes
Mes
Mes
Mes
Mes
Mes
1
2
3
4
5
6
7
X X X X X X X
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Fundamentos del Análisis de Fourier Departamento de Enxeñería Eléctrica Escola Técnica Superior de Enxeñeiros Industriáis, Universidade de Vigo, 2003.webs.uvigo.es/grupo_ene/publicaciones/Apuntes_Fourier.pdf. 2. Alternativa óptima de costo mínimo Frente a la Problemática de la Calidad del Servicio Eléctrico en la Universidad Nacional del Centro del Perú, Huancayo Perú 2011 CHÁVEZ TAIPE Gina Mabel. 3. Direccionalidad de Corrientes Armónicas en Sistemas de Distribución Eléctrica en la Universidad de Piura, Perú 2003, Ingeniero Mecánico – Eléctrico, GÁLVEZ CARRILLO Manuel Ricardo. 4. Armónicos en Sistemas de Distribución de Energía Eléctrica en la Universidad Autónoma de Nueva León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, España 1996, REYES CALDERON Gilberto. 5. Teorías de Diseño de Filtros Activos para Mitigación de Armónicos en Sistemas Eléctricos de Potencia en Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica, BYRON JULIÁN Villatoro Martínez. 6. Metodología de la Investigación. 5ta
Edición
(2010), Hernández, Fernández &
Baptista. 7. Código
Nacional
de
Electricidad,
Intranet2.
minem.gob.pe/web/cafae/Pdfs/CNE.PDF 8. Código Nacional de Electricidad/ www.cne.gob.pe/ 9. Generalidades sobre los armónicos y su influencia en los sistemas de distribución de energía. http://www.monografias.com/trabajos21/armonicos/armonicos.shtml#ixzz2zxW ZSmCO
ANEXO
HIPOTESIS GENERAL
ARMÓNICO
PROBLEMA GENERAL
OBJETIVO GENERAL
¿De qué manera afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014?
Analizar de qué manera afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014?
Afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014 de forma negativa para todo el sistema.
Componente sinusoidal de la tensión cuya frecuencia es múltiplo de la onda fundamental
SUB PROBLEMAS
OBJETIVOS ESPECIFICOS
SUB HIPOTESIS
SISTEMA ELÉCTRICO
METODOLOGÍA
DESCRIPTIVO Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades, las características, y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir únicamente pretenden medir o recoger i nformación de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o variables a las que se refieren, esto es, objetivo no es indicar como se relacionan estas. Hernández, Fernández & Baptista. (2010) Metodología de la Investigación. 5ta Edición, Cap.5. pag.80
DISEÑO
DESCRIPTIVO COMPARATIVO Objetivo Específico: Comparar realidades de 2 conjuntos de elementos comprende el conjunto de medios y elementos útiles para Afectan los armónicos Determinar cómo la generación, en el sistema eléctrico ¿Cómo afectan los afectan los el transporte y de la planta de armónicos en el sistema armónicos en el la distribución de concreto reduciendo la eléctrico de la planta de sistema eléctrico de la energía eléctrica. vida útil de los concreto? la planta de Este conjunto está componentes concreto. dotado de eléctricos. mecanismos de
• M1 y M2: Muestras 1 y 2 ó Población 1 y 2. • Xi: Variable(s) de estudio • O1 y O2: Observaciones 1 y 2: Resultados (=, ≠, ~) de l as comparaciones. Este diseño parte de la consideración de dos o más investigaciones descriptivas
HIPOTESIS GENERAL
ARMÓNICO
PROBLEMA GENERAL
OBJETIVO GENERAL
¿De qué manera afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014?
Analizar de qué manera afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014?
Afectan los armónicos en los sistemas eléctricos de la planta de concreto y oficinas de la empresa Serviccon de Cerro de Pasco del distrito de Huayllay en el 2014 de forma negativa para todo el sistema.
Componente sinusoidal de la tensión cuya frecuencia es múltiplo de la onda fundamental
SUB PROBLEMAS
OBJETIVOS ESPECIFICOS
SUB HIPOTESIS
SISTEMA ELÉCTRICO
METODOLOGÍA
DESCRIPTIVO Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades, las características, y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis. Es decir únicamente pretenden medir o recoger i nformación de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o variables a las que se refieren, esto es, objetivo no es indicar como se relacionan estas. Hernández, Fernández & Baptista. (2010) Metodología de la Investigación. 5ta Edición, Cap.5. pag.80
DISEÑO
DESCRIPTIVO COMPARATIVO Objetivo Específico: Comparar realidades de 2 conjuntos de elementos comprende el conjunto de medios y elementos útiles para Afectan los armónicos Determinar cómo la generación, en el sistema eléctrico ¿Cómo afectan los afectan los el transporte y de la planta de armónicos en el sistema armónicos en el la distribución de concreto reduciendo la eléctrico de la planta de sistema eléctrico de la energía eléctrica. vida útil de los concreto? la planta de Este conjunto está componentes concreto. dotado de eléctricos. mecanismos de control, seguridad y protección
¿Qué armónicos se presentan en el sistema eléctrico de la planta de concreto?
Analizar el tipo armónico presenta en sistema eléctrico la planta concreto?
CCM DE PLANTA
de se el de de
• M1 y M2: Muestras 1 y 2 ó Población 1 y 2. • Xi: Variable(s) de estudio • O1 y O2: Observaciones 1 y 2: Resultados (=, ≠, ~) de l as comparaciones. Este diseño parte de la consideración de dos o más investigaciones descriptivas simples; esto es, recolectar información relevante en varias muestras con respecto a un mismo fenómeno o aspecto de interés y l uego caracterizar este fenómeno en base a la comparación de los datos recogidos, pudiendo hacerse esta comparación en los datos generales o en una categoría de ellos. Alva Santos A. Diseño Metodológico
En el sistema eléctrico de la planta de concreto se presenta armónicos de orden 3°, 5° y 7°.
BORENARAS DE MOTORES ELECTRICOS
