de la Energía Mediciones Eléctricas I -

Transcripción

1 Medición de la Calidad de la Energía Distorsión Armónica

2 Calidad de la Energía Hay cuatro tipo de perturbaciones que caracterizan a la onda de tensión y que permiten medir su grado de pureza: A. Perturbaciones que afectan a la amplitud B. Perturbaciones que afectan a la frecuencia C. Perturbaciones que afectan al equilibrio D. Perturbaciones que afectan a la forma de la onda Huecos de tensión Fluctuaciones de tensión Cortes breves de tensión Impulsos de tensión Distorsión armónica

3 Calidad de la Energía Usuarios GEN. TRAN. DIST. Generación Medición de Salida Onda perfecta Maniobras Descargas atmosféricas Averías Emisores de perturbaciones Rectificadores LFC Hornos de arco Baterías de condensadores Equipos electrónicos Receptores Sensibles Automatismos Motores Computadoras

4 Huecos de tensión Hueco de tensión: Cuando la tensión cae entre un 10 y 99% de la tensión nominal al cabo de un tiempo determinado, que oscila entre los 10 milisegundos y varios segundos (un minuto) ("Voltage SAGS") Corte breve de tensión: Cuando se produce la desaparición total de la tensión de las tres fases durante un tiempo superior a 10 milisegundos e inferior a 1 minuto. Es equivalente a un hueco de tensión que afecte a las tres fases y tenga una profundidad del 100%.

5 Cuáles son las causas que determinan la aparición de huecos de tensión? Aparecen debido a la presencia de fallas en la red eléctrica, tanto la externa a la instalación como dentro de ella Fallas en la red externa Cortorcircuitos Descargas atmosféricas Fallas en la red interna Fallos de aislación Cortocircuitos Conexión de grandes cargas

6 Variaciones rápidas de tensión

7 Variaciones rápidas de tensión Flicker (parpadeo): alteraciones del valor eficaz de tensión comprendidas en un rango de ± 5% de la U n Percepción de la variación de la luminosidad de una lámpara, ocasionada por fluctuaciones de tensión en la red de alimentación eléctrica. Origina molestia visual en quien lo percibe. Depende fundamentalmente de la amplitud, frecuencia y duración de las fluctuaciones de tensión que lo causan. Estas oscilan entre los 0,5 Hz y los 30 Hz de frecuencia.

8 Variaciones rápidas de tensión: Flicker Fuentes de flicker: Hornos de arco Soldadura por arco Compresores Máquinas herramientas Efectos de flicker: Monitores Aparatos de TV Lámparas de incandescencia Lámparas de descarga

9 Impulsos de tensión Se define como una variación brusca del valor instantáneo de la amplitud de la tensión. Qué valores lo caracterizan? Un impulso de tensión se caracteriza por su amplitud en valor instantáneo, que puede ser varias veces superior al valor nominal de la tensión, y su duración que oscila entre unos pocos microsegundos y 10 ms. Cuáles son las causas de su aparición? Las causas de aparición de los impulsos son múltiples, aunque suelen estar relacionadas con la conexión y desconexión de equipos a la red y a los fenómenos atmosféricos. En la siguiente tabla se resumen las causas más comunes:

10 Distorsión armónica : fundamentos Cuándo una tensión o una corriente están distorsionadas? Se habla de corrientes o tensiones distorsionadas cuando su forma de onda no corresponde a una senoide pura.

11 Cómo se puede cuantificar la distorsión de una señal? Para determinar el grado de distorsión de una señal es necesario recurrir al análisis en el dominio de la frecuencia. Se utilizan los algoritmos matemáticos basados en los desarrollos de Fourier. En particular, se aplica el Teorema de Fourier según el cual cualquier señal periódica y continua de periodo T puede descomponerse en una suma infinita de señales senoidales de frecuencias múltiplos enteros de la frecuencia fundamental

12 Teorema de Fourier ax ( ) 180. sin( 100. x) b( x) 30. sin( 500. x) cx ( ) a( x) b( x) x

13 Qué es el espectro de frecuencias de una señal? El espectro de frecuencias de una señal es una representación que permite conocer las amplitudes y ángulos de desfases relativos de cada una de las componentes senoidales que integran a la señal distorsionada. Se obtiene mediante la Transformada de Fourier o su aplicación digital denominada FFT ("Fast Fourier Transform"). Esta transformación se puede asimilar de forma muy simplificada a una proyección sobre un plano amplitud - frecuencia de las amplitudes de las distintas componentes senoidales que integran la señal.

14 Factor de Cresta CF = I I pico eficaz

15 Qué índices normalizados existen para la medida de la distorsión de una señal? Tasa de distorsión total (Total Harmonic Distortion) THD 40 2 Ui i= 2 u % = 100 U1 THD 40 2 Ii i= 2 i% = 100 I1 U i, I i valor eficaz de los armónicos de orden i Índice de distorsión individual U 1, I 1 valor eficaz de la componente fundamental Ejemplo: I 1 =105 A I 3 =21 A I 5 =9 A THD I = = 21.8%

16 Qué equipos eléctricos y electrónicos son capaces de distorsionar la tensión y la corriente de la red eléctrica? Los equipos capaces de producir la distorsión armónica de las tensiones y corrientes son los llamados "equipos no lineales", es decir, aquellas máquinas o equipos electrónicos que realizan un consumo de corriente no senoidal de la red eléctrica. Los equipos no lineales que mayores efectos de distorsión producen aparecen recogidos en la siguiente tabla: PRINCIPALES EQUIPOS NO LINEALES 1. Rectificadores 2. Hornos de inducción y de arco 3. Lámparas de descarga 4. Equipos domésticos electrónicos 5. Transformadores de potencia saturados 6. Accionamientos de motores eléctricos

17 Ejemplo de instalación n con distorsión n armónica

18 EFECTO DE LAS ARMÓNICAS EN CONDUCTORES Aumento en las pérdidas I 2 R por efecto pelicular. EFECTO DE LAS ARMÓNICAS EN TRANSFORMADORES Aumento de pérdidas: Pérdidas por efecto Joule I 2 R

19 EFECTO DE LAS ARMÓNICAS EN MOTORES

20 Resumen perturbaciones en la red

21 Resumen perturbaciones en la red

22 Fuentes de Armónicas Saturación de transformadores Corrientes de energización de transformadores Conexiones al neutro de transformadores Fuerzas magnetomotrices en máquinas rotatorias de corriente alterna Hornos de arco eléctrico Lámparas fluorescentes Fuentes reguladas por conmutación Cargadores de baterías Compensadores estáticos de VAr s Variadores de frecuencia para motores ( drives ) Convertidores de estado sólido

23 ESTUDIO DE ARMÓNICOS FACTOR DIVERSIDAD Y ATENUACIÓN

24 Factor Diversidad (FD) Las dispersiones en el ángulo de fase de las armónicas de cargas individuales provocan una disminución de las corrientes armónicas en la red. Este efecto, conocido como diversidad, se debe principalmente a diferencias en los parámetros del sistema de distribución y a los de la propia carga. El factor de diversidad de corriente (FDk) se define para cualquier armónica k y un conjunto de n cargas conectadas en paralelo, como la magnitud del fasor de la corriente de red, dividido por la suma algebraica de magnitudes de las corrientes individuales, para el mismo orden de armónica. FD k n i= 1 = n i= 1 r I I k(i) k(i)

25 Factor Diversidad (FD) 105% 110% FD k = I 3(CPU) + I 3( MONITOR) I 3 + I 3(IMPRESORA) + I 3(LFC) THDI%? 95% 130%

26 Factor Diversidad (FD)

27 Factor Atenuación n (FA) 15W THDI%? 15W I 3_TOTAL 15W n I 3 ( LFC )

28 Factor Atenuación n (FA)

29 Factor Atenuación n (FA) La atenuación es provocada por la propia impedancia del sistema de potencia y por la correspondiente distorsión de tensión que tiende a reducir las corrientes armónicas en la red producida por cargas no lineales. El factor de atenuación FA k para la armónica k está definido como la magnitud de la corriente total de la armónica k cuando n cargas idénticas están conectadas en paralelo, dividida por n veces la magnitud de la corriente de una única carga: FA = k I n k(n) I k(1)

30 Potencias y Factor de Potencia en presencia de armónicos

31 Factor de Potencia con carga lineal Potencia Activa V FP = λ = = Potencia Aparente rms Irms cos( θ ϕ) = cos( θ ϕ) V I rms rms I = P k = U.cosϕ cosϕ Carga Lineal 2 R.I 7,00 6,00 Pérdidas p.u. 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Desplazamiento del factor de potencia

32 v( t ) = V1sen( ω ot + θ1 ) i( t) = = n 1 I n P = Pmedia = n= sen( nω t + ϕ ) 1 V o n max I 2 n n max cos( θ n ϕ V I1 P = 1 cos( θ1 φ1) = V1rmsI1rms cos( θ1 1) 2 ϕ P P V1rmsI1rms cos( θ1 φ1) I1rms fp(factor potencia) = λ = = = = cos( θ1 ϕ1) S V I V I I rms rms Fuente sinusoidal y carga no lineal 1rms rms rms n ) I rms = n= 0 I 2 nrms = I 2 o + n= 1 ( I n ) 2 2

33 Fuente sinusoidal y carga no lineal Factor de distorsión I1 FD = I rms rms fp = cos( θ1 ϕ1)fd THD i = 2 Inrms n 1 2 I1rms = I 2 2 rms I1rms 2 I1rms Distorsión Armónica total FD = THD i fp verdadero = fp desplazamiento.fp distorsión = cosϕ THD 2 i

34 Factor de Potencia y THDI Máximo Factor de Potencia Verdadero 1,0000 0,9500 0,9000 0,8500 0,8000 0,7500 0,7000 0,6500 0,6000 0,5500 0, THDI%

35 Potencia de distorsión Para un circuito con ondas senoidales S P Q = 0 En un circuito con ondas poliarmónicas la igualdad anterior no se cumple: S P Q S - P - Q = D 2 2 D= (U I ) -S& 2 N = P + 2 F = Q + D D 2 2 Potencia de distorsión Potencia No Reactiva Potencia Ficticia

36 D: Potencia de distorsión y Potencia de distorsión F: Potencia Ficticia S1 Q1 N: Potencia No Reactiva O UI E F x ψ N D z C -y

37 Medición n de Distorsión Armónica Analizadores de Redes

38 Laboratorio Medición n de Potencia de Armónicos

39 Laboratorio Medición n de Potencia de Armónicos

40 PINZA AMPEROMETRICA PROVA 21 Urms Irms Armónicos U e I κ P S F.P. ϕ 1

41 Laboratorio Medición n de Potencia de Armónicos Pinza Transductora PINZA PROVA 21 C HIOKI Fluke

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43 Mediciones instantáneas Medicion de armónicos

44 Laboratorio Medición n de Potencia de Armónicos R S T N

45 Laboratorio Medición n de Potencia de Armónicos R S T N THDi % P.F. ϕ

46 Comprobación del cableado: Wiring

47 Laboratorio Medición n de Potencia de Armónicos

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50 Señal de corriente recuperada con Excel WAVE_I1 04/10/ :11: E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E

51 Señal de corriente recuperada con el Fluke 97

52 Laboratorio Medición n de Potencia de Armónicos

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