CENIDET Introducción

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1 Resumen Sin duda, la energía eléctrica es la forma de energía más ampliamente usada en las actividades económicas y sociales de nuestro mundo moderno. Por ello, se puede decir que las compañías generadoras y distribuidoras de electricidad asumen dos retos de relevante preocupación actual. Uno es generar con mayor eficiencia, menor costo y con un mínimo impacto sobre el medio ambiente. El segundo es cumplir con la calidad del suministro, que ha llegado a ser un punto importante tanto para los usuarios como para las compañías que distribuyen la energía eléctrica, y que se refleja en una distribución y un consumo de energía más eficiente. El trabajo de tesis que se presenta, describe un sistema fotovoltaico (SFV) interconectado a la red eléctrica que ayuda a superar los retos citados. Este SFV tiene la función de recibir la energía solar entregada por un arreglo de celdas FV; operar en el punto máximo de potencia de las celdas (para mayor aprovechamiento de la energía captada); acondicionarla a una señal alterna, dentro de los parámetros técnicos normativos para la interconexión eléctrica (establecidos por la compañía; CFE en México); e inyectarla a la red eléctrica con el propósito de compensar potencia reactiva (filtrado activo) demandada por cargas lineales y no lineales, reduciendo la contaminación de la red eléctrica; además de compensar potencia activa en los picos de demanda de energía eléctrica máxima. El sistema funciona como filtro activo durante todo el día, lo que permite que la capacidad de potencia instalada por el equipo se aproveche al máximo y no solamente durante el periodo del día en que se dispone de la radiación solar. Las principales ventajas que se tienen son: implementación sencilla, robusta y con alta inmunidad a la variación de parámetros. En las funciones de filtro activo, las señales de referencia necesarias para modular el inversor, se obtienen utilizando la técnica de cancelación de interferencia adaptiva. Esta técnica mantiene al sistema en el mejor estado funcional, mediante un continuo autoajuste ante cambios en los parámetros de operación, generando resultados importantes y satisfactorios. Además, simultáneamente el SFV utiliza, en el seguimiento del punto de máxima potencia, la técnica de perturbar y observar, la cual ofrece un alto desempeño en la inyección de potencia activa. i

2 Introducción Hasta el momento la mayoría de los inversores existentes en el mercado que se diseñan para la interconexión de fuentes de energía renovable a la red eléctrica, que no afectan la calidad de la red y que además ofrecen varias prestaciones técnicas. Sin embargo, no contemplan dentro de su filosofía de operación, mecanismos que permitan contribuir con la calidad de la red eléctrica en el punto de interconexión; es decir contribuir a elevar el factor de potencia y a reducir la contaminación armónica debido a las cargas eléctricas del usuario. Las razones por las que no se contempla esto todavía, puede deberse por un lado, al costo adicional que involucra el tener que implementar las técnicas de control requeridas; y por el otro, al poco material existente en términos de normatividad para este tipo de tecnología (en lo cual ya varios países se encuentran trabajando arduamente). Por ello, el prototipo desarrollado en la presente tesis de maestría tiene como principal importancia, no solamente inyectar potencia activa a la red (siguiendo el punto de máxima potencia FV); sino también elevar el factor de potencia y reducir la contaminación armónica en el punto de interconexión, mediante un control robusto, sencillo y en consecuencia de bajo costo que utiliza la misma etapa de potencia. La organización de este trabajo de investigación comienza en sus primeros dos capítulos con un enfoque general de la situación energética nacional, con la intención de dar una referencia acerca de las áreas que resultan beneficiadas con este tipo de desarrollos tecnológicos; las cuales han sido de gran preocupación en los últimos años. El enfoque será en términos de Calidad y Ahorro de la Energía Eléctrica en el sector eléctrico y residencial, dadas las metas de esta investigación. Por lo tanto, se comentan las medidas que se están tomando dentro de los diferentes sectores consumidores de energía eléctrica en el marco de eficiencia energética. Se aborda el concepto de generación distribuida mediante energías renovables. También se muestra el rumbo de los SFV interconectados en México, así como las soluciones que éstos darían a serios problemas que enfrenta la compañía suministradora de electricidad, tanto por picos de demanda máxima, como por calidad del suministro eléctrico. Se presenta también una descripción sustancial de la Calidad de la Red Eléctrica, del impacto que ésta tiene ante la interconexión de diversas cargas y de las soluciones técnica y económicamente viables utilizadas

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4 Introducción en la actualidad para mejorarla. Así mismo, se hace referencia a la normatividad nacional e internacional que rige los aspectos relacionados con este trabajo. En el capítulo III se tiene el diseño de la etapa de control. Se presentan las técnicas existentes en la detección de las referencias para los filtros activos (FA), los fundamentos teóricos en los que se basa el control para proveer funciones de FA al sistema, un breve análisis matemático de su función de transferencia, y su implementación electrónica. Se describen también las protecciones eléctricas del prototipo. En el capítulo IV se presenta el diseño de la etapa de potencia. En la primera parte se muestra un análisis teórico de la filosofía de funcionamiento del sistema, a lo largo del día. Posteriormente se presentan: los diseños e implementación de cada elemento (componentes pasivos y dispositivos semiconductores de potencia), los compromisos y las consideraciones pertinentes que se tomaron para obtener una eficiencia alta, tanto en su propio funcionamiento, como en su interacción con el conjunto red-usuario, así como las pérdidas en el inversor. En el capítulo V se tienen los resultados más representativos del trabajo de investigación. Se comienza separando dichos resultados en términos de compensación reactiva y activa, a manera de evaluar su comportamiento para cada caso. Se presenta también su desempeño con diferentes tipos de carga eléctrica (tanto cargas no lineales, como lineales), incluso su dinámica ante escalones de carga. En la última sección se presenta un análisis, en función de la producción y pérdidas que se tendría en la interacción del prototipo con el binomio red eléctrica carga (usuario de la red) en un determinado periodo, con la intención de mostrar el impacto tecnológico que tiene para dicho binomio los SFV de este tipo. En el capítulo VI se presentan las conclusiones obtenidas a lo largo de la investigación, con la finalidad de poder evaluar los retos que se presentaron, así como las alternativas de solución que se tomaron para alcanzar los objetivos propuestos. Se plantean también los trabajos futuros a desarrollar para mejorar el diseño, o bien para apoyar a otros posibles desarrollos. iv

5 TABLA DE CONTENIDO Resumen Introducción i ii CAPÍTULO I Antecedentes 1 I.1 Introducción 1 I. Uso de la energía eléctrica 3 I..1 Consumo de energía 3 I.. Sector energía 4 I..3 Sector residencial 4 I..4 Administración de la demanda 4 I.3 Calidad de la red eléctrica 7 I.3.1 Generalidades 7 I.3. Perturbaciones de la red eléctrica 7 I.3.3 Cargas críticas 10 I.3.4 Responsables 11 I.4 Planteamiento del problema 1 I.4.1 Picos de demanda máxima 1 I.4. Contaminación armónica 14 I.4.3 Factor de potencia 15 I.4.4 Normatividad 16 I.5 Justificación 17 I.6 Revisión del estado del arte 17 I.6.1 Sistema fotovoltaico 17 I.6. Técnicas de detección de corrientes reactiva y armónicas 19 I.7 Aportaciones 0

6 Tabla de Contenido CAPÍTULO II SFV Interconectados a Red 1 II.1 Introducción 1 II. Aplicación de los SFV interconectados a red II..1 Consideraciones para la interconexión 4 II... Protección y seguridad 5 II.3 Generación eléctrica distribuida 7 II.3.1 Concepto 7 II.3. Beneficios 7 II.4 Impacto en la calidad de red 9 II.4.1 Efectos de la distorsión armónica 9 II.4. Efectos en el factor de potencia 30 II.4.3 Equipos para incrementar la calidad de la red 31 II.4.4 Filtros activos 3 II Clasificación de los filtros activos 3 II.4.4. Funcionamiento básico de un filtro activo paralelo 33 CAPÍTULO III Diseño de la Etapa de Control 35 III.1 Introducción 35 III. Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa (SFIPA) 36 III..1 Estrategia para las funciones de filtrado activo 36 III.3 Detección de corrientes reactiva y armónicas para señales de referencia en filtros activos 37 III.3.1 Técnicas existentes 37 III.3. Selección del control 39 III.4 Circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas (CDCRA) 39 III.4.1 Método de detección adaptable para corrientes reactiva y armónicas 39 III Estudio de la función de transferencia del CDCRA 40 III.4.1. Efecto del valor de ganancia en el lazo de retroalimentación 43

7 Tabla de Contenido III.4. Diseño e implementación del CDCRA 44 III.5 Integración del CDCRA al SFIPA 46 III.5.1 Diagrama a bloques 46 III.5. Set point 47 III.5.3 Implementación 48 III.6 Técnica de modulación 48 III.6.1 Sincronización con la línea 48 III.6. Acondicionamiento de la señal de referencia de línea 49 III.6.3 Señales de control para los interruptores de potencia 50 III.7 Etapa de protecciones y seguridad 5 III.7.1 Sobrecorriente 5 III.7. Aislamiento de línea (Islanding) 53 III.7.3 Inyección de CD 54 CAPÍTULO IV Diseño de la Etapa de Potencia 55 IV.1 Introducción 55 IV. Flujo de energía 56 IV..1 Caso I: Periodo de insolación 56 IV.. Caso II: Periodo de oscuridad 57 IV.3 Bus de CD 57 IV.3.1 Arreglo FV 58 IV.3. Condensador de CD 58 IV.4 Inversor 60 IV.4.1 Dispositivos de conmutación 60 IV.4. Circuitos impulsores para los dispositivos de conmutación 61 IV.4.3 Pérdidas en los IGBT s 6 IV.4.4 Pérdidas en los diodos 63 IV.4.5 Diseño térmico 63 IV.4.6 Análisis del tiempo muerto 65 IV.5 Transformador elevador 67 IV.6 Inductor de interconexión 69

8 Tabla de Contenido IV.7 Potencia aparente manejada como FA 7 CAPÍTULO V Resultados Experimentales 58 V.1 Introducción 58 V. Especificaciones del prototipo 59 V.3 Compensación de potencia reactiva 60 V.3.1 Carga no lineal, tipo fuente de tensión 60 V.3. Carga no lineal, tipo fuente de corriente 6 V.3.3 Carga lineal reactiva tipo capacitiva, RC paralelo 63 V.3.4 Carga lineal reactiva tipo inductiva, motor 63 V.4 Compensación de potencia activa 63 V.4.1 Sistema de cogeneración inyectando corriente a ZL 64 V.4. Sistema de cogeneración inyectando corriente activa a la red 64 V.5 Compensación de potencia activa y reactiva 65 V.5.1 Potencia con baja irradiancia solar 65 V.5. Potencia con alta irradiancia solar 66 V.6 Dinámica del sistema V.7 Estudio del flujo de energía 68 V.7.1 Gráficas de potencia 68 V.7. Aprovechamiento de energía 69 CAPÍTULO VI Conclusiones 74 VI.1 Introducción 74 VI. Conclusiones 74 VI.3 Trabajos futuros 75

9 Tabla de Contenido Referencias bibliográficas 76 Lista de símbolos y abreviaturas 78 Lista de figuras y tablas 79 Apéndice A: Tarifas en el Sector Residencial 81 Apéndice B: Formas de Onda de Perturbaciones en la Red Eléctrica 83 Apéndice C: Filtros de Corrientes Armónicas en Sistemas Eléctricos 84 Apéndice D: Resultados en Simulación del CDCRA 85 Apéndice E: Diagramas Electrónicos 85

10 CAPÍTULO I Antecedentes I.1 Introducción Sin lugar a dudas el siglo XX se identificará como aquel en donde el hombre alcanzó un desarrollo tecnológico gigantesco, lo que marcó el comienzo de una nueva era tecnológica que seguirá siendo la base para alcanzar muchas otras cumbres científicas en el bienestar humano, que quizás antes eran imposibles. Además, de manera contrastante con lo anterior, se sabe también que uno de los aspectos relevantes que caracterizaron a la humanidad, sobre todo en los últimos años, fue el tomar conciencia de la necesidad de hacer un uso más responsable de las fuentes de energía para satisfacer las necesidades humanas [1]. Es bien sabido que las centrales generadoras de electricidad que queman combustibles fósiles son las responsables de producir una parte sustancial de las emisiones que dañan las áreas verdes y contaminan el medio ambiente, deteriorando lentamente la calidad de vida en el planeta 1. Sin embargo, en el mundo moderno, la electricidad es la forma de energía de uso final más ampliamente utilizada en las actividades económicas y sociales. Por esta razón se debe producir con mayor eficiencia, menor costo y con un mínimo impacto sobre el medio ambiente []. En el campo de los sistemas de potencia, la tradicional generación centralizada de energía por medio de combustibles fósiles está evolucionando en las tecnologías de generación y las estrategias de planeación de la red eléctrica [1]. Las fuentes de energía convencionales provenientes del medio ambiente tienden a agotarse con relativa rapidez debido, como ya se planteó, a su uso irracional. Es decir, se tiene la preocupación de la disminución de las fuentes de petróleo, gas natural y las fuentes naturales de carbón que se ha ido intensificando. Por esa razón, el esfuerzo por 1 La generación termoeléctrica contribuye de manera significativa a la emisión de gases tóxicos además de los que producen el efecto invernadero.

11 Capítulo I. Antecedentes encontrar nuevas fuentes de energía, permite la disminución del uso de fuentes naturales de combustible dándose un cambio en todas las áreas científicas y tecnológicas en el mundo y especialmente en el campo de la ingeniería eléctrica [3]. Hoy en día, más de un cuarto de siglo después de la llamada crisis del petróleo, muchas de las tecnologías de aprovechamiento de energías renovables han madurado y evolucionado, aumentando su confiabilidad y mejorando su rentabilidad para muchas aplicaciones; considerándose así como una de las claves para reducir gradualmente la dependencia de combustibles fósiles en la generación de energía eléctrica. Como resultado, países como EU, Alemania, España e Israel presentan un crecimiento muy acelerado en el número de instalaciones que aprovechan la energía solar directa o indirectamente [4]. De estas tecnologías hay dos que han alcanzado la madurez necesaria para incursionar en el mercado energético: la eólica y la solar. De manera muy general, se afirma que: La energía solar aparece como una alternativa importante para el incremento del consumo energético del planeta, dado que la cantidad de energía solar que arriba a la superficie de la tierra en 1 día es 10 veces más que la energía total consumida por toda la población mundial en 1 año [5] ; y que la Republica Mexicana recibe en 6 horas de exposición al sol, la misma cantidad de energía que consumirá durante todo 1 año [6]. De las dos tecnologías mencionadas, los aerogeneradores constituyen la más competitiva de ellas; sus costos en sitios de buen potencial eólico son actualmente similares a los de plantas turbo generadoras de gas que se usan para generación de demanda pico. La segunda de ellas es la fotovoltaica (FV); su aplicación está en sistemas autónomos generalmente alejados de las líneas de distribución debido a su situación geográfica para las cuales representan la opción más económica. Si bien sus costos directos aun no compiten con las tecnologías de generación convencionales, algunas evaluaciones económicas recientes muestran que, si se toman en cuenta los costos indirectos de la generación y distribución de la energía eléctrica, los sistemas fotovoltaicos (SFV) se encuentran cerca de la viabilidad económica en sistemas que interactúan con la red eléctrica [7], es decir, sistemas interconectados a la red. El éxito comercial de la tecnología FV es todavía incipiente, pero el crecimiento del mercado es estable y obedece a varias condiciones: es una de las formas de generación eléctrica más apropiada con el entorno ecológico; la conversión solar-eléctrica se realiza de manera limpia y directa; la vida útil de los módulos es de 30 años. No depende de energéticos externos por lo que tienen un alto grado de autonomía. Además, la sociedad cada vez más tiende a exigir a sus gobiernos el respeto al medio ambiente, sobre todo por parte del sector energético [7]. Además de la riqueza en energéticos de origen fósil, México cuenta con un potencial muy importante en cuestión de recursos energéticos renovables, cuyo desarrollo permitirá al país contar con una mayor diversificación de fuentes de energía, ampliar la base industrial en un área que puede tener valor estratégico en el futuro, y atenuar los

12 Capítulo I. Antecedentes impactos ambientales ocasionados por la producción, distribución y uso final de las formas de energía convencionales [6]. I. Uso de la energía eléctrica Como efecto de las fuerzas de mercado, la creciente demanda de energía ocasionó que el precio del petróleo se elevara y que se mantuviera una tendencia a la alza hasta niveles insostenibles. Simultáneamente, el uso intensivo de los energéticos estaba produciendo un serio deterioro del medio ambiente debido a las emisiones, producto de la combustión de los energéticos de origen fósil. En 1973, los países industrializados que son, por ende, grandes consumidores de energía, iniciaron diversas acciones para hacer un menor uso de energéticos sin perder los beneficios económicos y sociales y, a la vez, proteger y mejorar el medio ambiente [8], puesto que es bien sabido que los grupos sociales alrededor del mundo están demandando alternativas limpias para sus necesidades de energía. Según Rogelio Covarrubias en [8], el análisis comparativo de la eficiencia energética en México contra países industrializados muestra que mientras nuestro país indica una tendencia creciente, en los países industrializados la tendencia es a la baja, signo inequívoco de un mejor uso de los energéticos. En México, se está desarrollando la infraestructura requerida para emprender acciones y proyectos de ahorro de energía; se cuenta con programas como PAESE (Programa de Ahorro de Energía del Sector Eléctrico, de CFE, enero 1990) y el FIDE (Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica); el CHV (Cambio de Horario de Verano) [9] o diversos organismos como la CONAE (Comisión Nacional para el Ahorro de Energía), empresas de ingeniería, centros de investigación, centros de enseñanza superior con capacidad para apoyar acciones de difusión y promoción, así como para realizar proyectos sobre ahorro de energía [8]. En nuestro país la energía se produce y consume en seis grandes sectores: energía, transporte, industria, comercio, servicios y residencial o doméstico. En seguida se presenta el consumo de energía que se tiene por parte de los sectores industrial y residencial. I..1 Consumo de energía El sector energía es el principal consumidor de energía primaria en el país. En 1996 tuvo un consumo total de 45.4 millones de TEP que significan 33.1% del consumo nacional de energía, desglosado en lo siguiente: autoconsumo, 15.8 millones (10.9%); transformación, 6.9 millones (18.6%), y pérdidas por distribución,.9 millones (.0%) [8]. Toneladas Equivalentes de Petróleo 3

13 Capítulo I. Antecedentes I.. Sector energía El sector energía está integrado principalmente por Pemex y la CFE. El consumo de energía es un indicador del nivel económico, social, científico y tecnológico de los países. En México, Pemex y la CFE cubren un área estratégica y fundamental de la economía, y sustentan en forma importante el nivel de vida de la población. Además de abastecedores de energéticos, también son grandes usuarios de energía y sujetos a la aplicación de medidas para mejorar su eficiencia energética y ofrecer productos de mejor calidad y competitivos en el mercado [8]. La CFE consume energía en la producción de energía eléctrica. Este consumo comprende la propia generación, así como las pérdidas en transmisión y distribución (TyD). Las centrales de generación de la CFE son principalmente termoeléctricas que usan gas natural, combustóleo y carbón; además, cuenta con centrales hidroeléctricas, geotérmicas y nucleoeléctricas. En el sector eléctrico, el consumo propio tiende a reducirse debido a la aplicación de programas de ahorro de energía y del incremento de eficiencia energética. Solo como ejemplo, en la actualidad se afirma que México cuenta con suficientes reservas de gas natural, aunque se tiene el problema que el abasto de gas natural está relacionado con la oferta futura de energía eléctrica, ya que en los próximos nueve años 60 % de la electricidad que producirá será con gas natural, mientras que ahora dicho combustible se ocupa en 0 % para ello 3 [10]. I..3 Sector residencial Debido al crecimiento demográfico y al incremento de costos de producción, así como a la reducción de las reservas de petróleo del país, cada día es más costosa la adquisición, producción y distribución de los energéticos que se consumen en el sector residencial, representado por casas habitación, edificios de departamentos y unidades habitacionales. Los energéticos consumidos en el sector residencial, comercial y de servicios se utilizan principalmente en iluminación, preparación de alimentos y acondicionamiento del ambiente (aires acondicionados), siendo la leña (6.0 millones de TEP), el gas LP (8.9 millones de TEP) y la electricidad (3.79 millones de TEP) los de mayor consumo [8]. I..4 Administración de la demanda Tradicionalmente, el crecimiento del sector eléctrico se ha enfocado en satisfacer, con la anticipación y márgenes necesarios, el crecimiento de la demanda, utilizando técnicas de proyección con base en los parámetros tradicionales: tendencia de crecimiento, crecimiento demográfico, número de usuarios, desarrollo industrial y comercial, PIB, etcétera [8]. 3 Información de la CFE, notas informativas, 16 de julio de 001 4

14 Capítulo I. Antecedentes Por otra parte, hay factores que se han vuelto importantes en la planeación de la oferta de energía eléctrica, como por ejemplo, el incremento en el precio de los energéticos, el cuidado del medio ambiente y la incertidumbre en el comportamiento de los costos financieros de las inversiones en generación. Esta situación ha despertado el interés de los planificadores por integrar al proceso factores que influyen en la demanda, al considerar que una reducción de la demanda automáticamente se refleja en un alivio a la oferta [8]. Los objetivos de administrar el comportamiento de la demanda son crear una mayor conciencia y convencer a los usuarios para que modifiquen sus hábitos de uso, remodelen o renueven sus instalaciones productivas, coordinen sus procesos de producción en forma eficiente, cambien sus equipos y aparatos por aquellos que ofrezcan mayor eficiencia energética y, en general, mantengan un programa continuo de administración de la energía dentro de sus instalaciones, integrado a sus planes de mejora continua y a sus estrategias para alcanzar o mantener su competitividad en el mercado [9] (ver figura I.1). Figura I.1.- Administración de la demanda. (a).- Eficiencia energética. (b).- Reducción de la demanda pico. (c).- Proyección del consumo de energía eléctrica en México. 5

15 Capítulo I. Antecedentes El concepto de planeación integral de los recursos (IRP, por sus siglas en inglés), actualmente en práctica en muchos países, considera dos aspectos en forma integrada: los recursos aplicables al suministro de energía eléctrica y la administración de la demanda. La administración de la demanda busca el equilibrio entre la oferta y la demanda. Se entiende por administración de la oferta las inversiones en infraestructura eléctrica, la operación y el mantenimiento de dichas instalaciones. Se entiende por administración de la demanda la reducción de la demanda pico, la adecuación de las tarifas eléctricas a las condiciones reales, la conservación y el ahorro de los energéticos, y el crecimiento estratégico de la carga. En consecuencia, la relevancia para el sector es la optimización y el diferimiento de las inversiones, la reducción de pérdidas, el uso eficiente de la energía y la disminución de emisiones contaminantes, entre otros. La administración de la demanda de energía ya ha sido aplicada durante varios años en diversos países, incluyendo a México. Se han desarrollado diversos métodos para identificar las oportunidades, así como procedimientos para evaluar el diseño, el desarrollo, la evaluación, el seguimiento, el costeo, etcétera, de programas en los distintos usuarios y sus sectores. En el caso de México, desde hace varios años se han iniciado proyectos asociados con el uso eficiente de la energía como una forma de racionalizar el uso de los energéticos y conservar el ambiente; sin embargo, la utilización de la administración de la demanda como una mejor opción para la aplicación de los recursos de inversión está en su inicio. Respecto a los tipos de programas, los principales son aire acondicionado, alumbrado y su control, aislamiento térmico, refrigeración, tarifas especiales, equipos y aparatos eficientes, control de carga de motores, motores eficientes y procesos industriales [8]. Pon lo anterior, se puede ver que en nuestro país es urgente tanto el ahorro y uso eficiente de la energía, como la preservación del medio ambiente. Solo por citar algunos ejemplos palpables por la sociedad, se tiene: el control vehicular, implantación de transporte eléctrico en las grandes urbes, CHV, la venta de lámparas y equipos electrodomésticos más eficientes, campañas publicitarias para la concientización de la población, etc. Y además la aplicación más rigurosa de las normas de calidad en todas las áreas involucradas. En lo que respecta a la energía eléctrica, es necesario impulsar y promover su ahorro y uso eficiente, brindando el apoyo tecnológico necesario para que las instalaciones del sector eléctrico y de los usuarios de energía eléctrica logren reducir el consumo, la demanda pico y la tasa de crecimiento de la demanda de energía eléctrica, y de esta manera conservar el medio ambiente y los recursos del sector eléctrico. De acuerdo a [8], dentro de las áreas de oportunidad que se han identificado y que tienen especial importancia, no sólo por su carácter social sino también por su clara contribución a la reducción de la demanda máxima de energía eléctrica, destaca el sector 6

16 Capítulo I. Antecedentes doméstico, en donde se han identificado tres áreas de particular interés: iluminación residencial, acondicionamiento ambiental de la vivienda y normalización de la eficiencia energética de aparatos electrodomésticos. I.3 Calidad de la red eléctrica I.3.1 Generalidades Generalmente el nivel de calidad de un sistema eléctrico de potencia se ve afectado por una serie de perturbaciones debidas a causas externas (p. e. fenómenos atmosféricos), a la operación tanto del propio del sistema, como de los equipos consumidores. Actualmente existe una tendencia en la proliferación de equipos que exigen mayores niveles de calidad en el suministro eléctrico. Además, tiende a crecer el número de equipos cuya operación normal genera perturbaciones en el sistema eléctrico. Se estima que a partir del año 000 aproximadamente el 80% de las cargas de corriente alterna son total o parcialmente electrónicas [11], [1] y en consecuencia, posibles perturbadoras de la red [13]. Lo expuesto anteriormente proporciona una introducción al concepto de calidad de la red (Power Quality), y con el fin de dar mayor precisión a este concepto se describirá los tipos de perturbaciones más frecuentes en la red y las cargas más susceptibles a estas [13]. I.3. Perturbaciones de la red eléctrica En un sentido amplio, las interferencias electromagnéticas (EMI por sus siglas en inglés) se pueden definir como señales de tipo electromagnético que perturban la operación normal de un sistema eléctrico o electrónico afectando sus magnitudes eléctricas. El tipo de perturbaciones consideradas en esta sección son aquellas que se catalogan como perturbaciones de baja frecuencia y que se propagan por conducción. Este tipo de perturbaciones se manifiesta en una alteración transitoria o permanente de la forma de onda de tensión de la alimentación, que idealmente es perfectamente sinusoidal. Es importante observar que el origen y la propagación de tales perturbaciones depende tanto de la parte del sistema eléctrico propiedad de la compañía como de la parte del usuario. En la figura I. se muestra el esquema simplificado de un sistema eléctrico de potencia [14]. 7

17 Capítulo I. Antecedentes Figura I..- Esquema de la red de suministro eléctrico. Puede observarse cómo la tensión de suministro de la red de baja tensión quedará afectada tanto por una perturbación en la propia instalación del usuario, como por una perturbación producida en la red de media tensión. Esto se debe a la existencia de una impedancia equivalente de la red diferente de cero. Las impedancias Z 3 y Z 4 tienen valores elevados comparadas con Z 1 y Z, lo que equivale a decir que una perturbación producida por el usuario, salvo en cargas de gran potencia, afectará a la red en mucha menor medida que aquellas producidas por la compañía. Las impedancias Z 1, Z, Z 3 pueden sustituirse por su equivalente de tal forma que cada fase de la red se representa por un generador ideal de tensión en serie con una impedancia Z. A esta impedancia interna de la red en un punto determinado se le conoce con el nombre de impedancia de corto circuito en dicho punto (Z CC ), y es la impedancia que se presenta al equipo conectado a la red de distribución [15]. De acuerdo al parámetro de onda afectado, es posible realizar una clasificación de las perturbaciones de la red. En la tabla I.1 se establece dicha clasificación y en el apéndice B, se muestran las formas de onda de cada perturbación. Tabla I.1.- Clasificación de las perturbaciones en la red eléctrica. Parámetro afectado Amplitud Forma de onda Frecuencia Simetría Tipo de perturbación Ruido en modo diferencial Ruido en modo común Variaciones lentas de tensión Variaciones rápidas de tensión Parpadeo Microcortes Cortes largos Armónicos (distorsión) Variaciones de frecuencia Desequilibrios (asimetría) 8

18 Capítulo I. Antecedentes A continuación se presenta una breve descripción de las perturbaciones de la red eléctrica. Perturbaciones de amplitud Dentro de estas perturbaciones se consideran todos aquellos fenómenos que modifican la tensión de su forma sinusoidal ideal. Pueden presentarse entre las tensiones fase-fase o tensiones fase-neutro. La duración y magnitud de la perturbación determina el nombre de identificación. Las causas que originan perturbación son: descargas atmosféricas; funcionamiento de maquinas eléctricas con escobillas; soldadores de arco; equipos electrónicos (rectificadores, variadores de velocidad, etc.); variaciones de tiempo en la demanda de potencia (inicio de funcionamiento de equipos de gran potencia); corto circuitos en la red eléctrica; reconexión de zonas de distribución eléctrica, entre otras. Los efectos de las perturbaciones sobre los sistemas eléctricos pueden manifestarse de muchas maneras. Las más comunes son: degradación y destrucción de aislamientos; fallos de equipos electrónicos; descargas eléctricas a usuarios; acortamiento en la vida útil de los sistemas; activación indebida de protecciones del sistema; parpadeo visible en los sistemas de iluminación; funcionamiento anómalos de equipos eléctricos y electrónicos (dispositivos industriales programables, tornos de control numérico, computadoras, etc.); y paro total de líneas de producción [15]. Distorsión armónica Puede definirse como una desviación permanente de la onda de tensión respecto a una onda sinusoidal pura. Un parámetro importante es la distorsión armónica total (DAT ó THD por sus siglas en inglés). A través de este parámetro es posible evaluar el grado de distorsión de la forma de tensión o corriente en un sistema eléctrico de potencia. Suele producirse distorsión cuando funcionan máquinas eléctricas con núcleo magnético saturado y ciertos convertidores estáticos, tales como rectificadores, fuentes conmutadas y otras cargas no lineales. En general, todos los convertidores electrónicos de potencia (incluyendo los utilizados para proteger cargas sensibles) pueden contribuir a aumentar el nivel de perturbaciones presentes en la red distorsionando la forma de tensión de la misma debido a las corrientes armónicas inyectadas a la red. I L = I 1 +I K Carga Z CC V CA V L = V 1 - Z CC I K Otras Cargas Figura I.3.- Red eléctrica alimentando diversas cargas. 9

19 Capítulo I. Antecedentes Para ilustrar los problemas ocasionados por los armónicos de corriente considérese el circuito mostrado en la figura I.3. Puesto que el valor de la impedancia interna de la red no es nulo (representada como Z CC en la figura), la circulación de las componentes armónicas I K de corriente provocarán caídas de tensión en la citada impedancia, lo que ocasionará que la forma de onda de la tensión en el punto de conexión común (PCC) a otras cargas quede distorsionada. Los equipos conectados en el PCC serán afectados por la contaminación armónica debida a la carga contaminante. Otros problemas directamente relacionados con un excesivo contenido armónico de corriente en un sistema de potencia son: la potencia que pueden manejar las líneas de distribución es menor; reducción de la vida útil en maquinas eléctricas rotativas; sobrecalentamiento en banco de condensadores usados para corregir el factor de potencia (FP), reduciendo la vida útil; interferencia con líneas de comunicación y redes de computadoras, e incremento de pérdidas en equipos estáticos como transformadores [15]. Variaciones de frecuencia Son alteraciones del valor nominal de la frecuencia de red. Actualmente, debido a la interconexión de los centros de generación, no se presentan variaciones apreciables y permanentes bajo condiciones normales. Sin embargo, en redes aisladas como plataformas de extracción petrolera, barcos, islas y cualquier sistema de generación autónomos si pueden presentarse con más facilidad. Entre los efectos se encuentran la actuación de protecciones de sub-frecuencia y el funcionamiento incorrecto de motores asíncronos y síncronos [15]. Desequilibrios Es la desigualdad entre las amplitudes y desfases de las tres tensiones de un sistema trifásico. Tienen su origen en las grandes cargas monofásicas repartidas de manera irregular entre las fases de la red, tales como hornos de inducción subestaciones de tracción y equipos de soldadura. Entre sus efectos se pueden mencionar la aparición de un campo inverso en las maquinas eléctricas rotativas, circulación de corrientes en el neutro, incremento de pérdidas en transformadores [15]. I.3.3 Cargas críticas Las cargas críticas son aquellas cuyas características de alimentación pueden ser clasificadas dentro de alguno de los siguientes aspectos: elevada seguridad (debido a la importancia de la función que cumplen); y excelentes características de la forma de onda de tensión de alimentación (necesaria para su correcta operación). Algunos ejemplos de cargas con las características mencionadas anteriormente son: computadoras y periféricos; controladores lógicos programables (PLC, por sus siglas en inglés); equipos sanitarios vitales; instrumentación electrónica industrial; equipos y sistemas de transmisión; equipos de radiocomunicación; equipos espaciales y militares; y equipos de control en centrales nucleares. 10

20 Capítulo I. Antecedentes La gran cantidad y diversidad de cargas hace difícil la generalización de los requerimientos de calidad de alimentación de las mismas. En los últimos años, a consecuencia del alto incremento que han experimentado las cargas críticas y las cargas perturbadoras, se ha trabajado internacionalmente por especificar niveles de inmunidad para los equipos, así como niveles de emisión de perturbadores. El documento IEEE-446 fija niveles de inmunidad mediante gráficos referentes a niveles de perturbación admisibles por cargas críticas; aunque existen diversos estudios que lo critican poniendo de manifiesto la existencia de diversas imprecisiones en las definiciones que contiene, dando lugar a diferentes interpretaciones [15]. Los requerimientos de seguridad de las cargas críticas pueden cuantificarse por ciertos parámetros definidos con base en la confiabilidad del sistema, tal como el tiempo medio entre fallos. En general la calidad y seguridad de las instalaciones del suministro eléctrico son muy variables de un país a otro, inclusive dentro de un mismo país en zonas diferentes. La normativa existente establece límites tanto a los niveles de perturbación presentes en la red, como a los niveles de contaminación eléctrica generada por los equipos consumidores [15]. I.3.4 Responsables El problema de calidad de la red eléctrica tiene varios responsables. En contraste con el modelo clásico cliente-compañía eléctrica según el cual en el aseguramiento de la calidad solamente estarían involucradas estas dos partes. Hoy está plenamente aceptado que hay más elementos implicados a saber: - La compañía eléctrica, cuyo papel es definir y garantizar la calidad del servicio proporcionado al cliente. - El fabricante de equipos eléctricos, cuyo papel es colocar productos en el mercado que cumplan las normas de interferencia y contaminación eléctrica. - El usuario, cuyo papel consiste en asegurar que su instalación, enlace con el sistema de distribución y los equipos, estén diseñados adecuadamente y el conjunto de su instalación y cargas no produzcan perturbaciones eléctricas en la red pública. - El gobierno y organismos correspondientes, que han de elaborar normas y reglamentos que establezcan exigencias razonables. - Los investigadores, quienes deben profundizar en el estudio del sistema y proponer soluciones técnica y económica viables. En lo que respecta a la compañía eléctrica, ésta podrá satisfacer las necesidades del usuario de dos formas: elevando el nivel de calidad del servicio de toda la red eléctrica con el fin de satisfacer de manera adecuada a las cargas críticas, y adaptando el 11

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