Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico. cenidet TESIS DOCTORAL

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1 Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico cenidet TESIS DOCTORA SÍNTESIS DE UN REGUADOR MONOFÁSICO DE TOMAS DE C.A. PARA APICACIONES DE MEDIA Y BAJA TENSIÓN Autor M.C. Rodolfo Arturo Echavarría Solís Directora Dra. María Cotorogea Pfeifer Co-Director Dr. Abraham Claudio Sánchez Revisores Dr. Jaime Arau Roffiel CENIDET Dr. Hugo Calleja Gjumlich CENIDET Dr. Sergio Horta Mejía ITESM, Campus Querétaro Dr. Víctor M. Cárdenas Galindo Universidad Autónoma de San uis Potosí Dr. uis Morán Tamayo Universidad de Concepción, Chile

2 Índice ÍNDICE PRÓOGO... RESUMEN... XIII XVII CAPÍTUO I INTRODUCCIÓN I. Calidad de la energía... I. Perturbaciones principales de la red eléctrica... I.3 Regulación de tensión... I.4 Equipos para regulación en media tensión... I.5 Equipos para regulación en baja tensión... I.6 Tipos de reguladores de tensión... I.7 Planteamiento del problema... I.8 Objetivo CAPÍTUO II REGUADORES DE TOMAS II. Reguladores de tomas... II.. Funcionamiento con transformador compensador... II.. Conexión trifásica de los reguladores de tomas... II..3 Principales características de los reguladores de tomas... II. Reguladores rápidos de tomas (RRT) CAPÍTUO III ANÁISIS Y SÍNTESIS DE RRT CON CONMUTACIÓN DURA III. Análisis de la etapa de potencia... III. Síntesis de la etapa de potencia... III.3 Diseño de la etapa de potencia IX

3 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión III.4 Análisis de variación de parámetros... III.4. Análisis paramétrico en simulación... III.4. Análisis paramétrico experimental... III.5 Conclusiones sobre la respuesta del regulador CAPÍTUO IV ETAPA DE CONTRO DE RRT CON CONMUTACIÓN DURA IV. Introducción... IV.. Control de sistemas electrónicos de potencia... IV.. Control digital de sistemas electrónicos de potencia... IV..3 Control de los reguladores de tomas... IV. Selección del microprocesador... IV.3 Tarjeta basada en el DSP... IV.4 Programación del DSP... IV.5 Filtro digital... IV.6 Esquema general del regulador... IV.7 Algoritmos de control implementados... IV.7. Control de dos posiciones... IV.7. Control proporcional-integral... IV.8 Conclusiones CAPÍTUO V RESUTADOS EXPERIMENTAES DE RRT CON CONMUTACIÓN DURA V. Pruebas estáticas... V. Proceso de conmutación... V.3 Pruebas en lazo abierto... V.4 Control por histéresis... V.4. Escalón de tensión... V.4. Rampa de tensión... V.5 Control PI... V.5. Escalón de tensión... V.5. Flicker... V.5.3. Distorsión armónica... V.5.4 Pruebas con carga no lineal... V.6. Conclusiones CAPÍTUO VI RRT CUASIRRESONANTE VI. Introducción... VI. Análisis de la etapa de potencia... VI.3 Síntesis de la etapa de potencia... VI.4 Análisis paramétrico... VI.5 Etapa de control... VI.6 Resultados experimentales... VI.7 Conclusiones X

4 Índice CAPÍTUO VII CONCUSIONES VII. Conclusiones del trabajo desarrollado... VII. Sugerencias para trabajos futuros... VII.3 Publicaciones generadas APÉNDICE BIBIOGRAFÍA APÉNDICE ISTA DE SÍMBOOS XI

5 Resumen RESUMEN os aspectos relacionados con la calidad de la energía eléctrica han cobrado gran importancia en los últimos años, debido principalmente a un mayor uso de las cargas electrónicas, una mayor conciencia en lo que respecta a la eficiencia de los equipos y al empleo de tarjetas basadas en sistemas digitales, los cuales son más sensibles a las perturbaciones. Dentro de las perturbaciones presentes en la línea, se encuentran las variaciones de tensión de corta y larga duración, así como la distorsión de tensión. Por otro lado, existe un problema relacionado con la regulación de tensión, la cual debe de mantenerse dentro de ciertos límites especificados. Con el propósito de mantener la tensión regulada tanto en baja, como en media y alta tensión se ha desarrollado diversos tipos de equipos, entre los cuales cabe destacar a los reguladores de tomas. Este tipo de reguladores ha sido ampliamente utilizado, sin embargo, presenta la desventaja de un tiempo de respuesta grande, lo que lo limita para corregir únicamente variaciones lentas de tensión. Con el propósito de superar la desventaja anterior, se ha propuesto el desarrollo de reguladores rápidos de tomas, los cuales, mediante la sustitución de los interruptores por dispositivos semiconductores de potencia modernos y la adición de una tarjeta de control digital, son capaces de corregir variaciones rápidas de tensión y distorsión armónica, además de las variaciones lentas de tensión. os reguladores rápidos de tomas se pueden clasificar en dos tipos principales, el primero que involucra a aquellos que utilizan varias tomas y conmutación dura y el segundo, que abarca a los que utilizan dos tomas y conmutación suave. En el capítulo I se muestra una introducción al tema de calidad de la energía, haciendo énfasis en las perturbaciones relacionadas con el trabajo desarrollado. Asimismo, se presenta un panorama general del tema de regulación de tensión y de las soluciones existentes, en particular de los reguladores de tensión. XVII

6 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión En el capítulo II se aborda el tema de los reguladores de tomas, estableciendo sus principales características. Se presenta también el concepto de los reguladores rápidos de tomas, mostrando las ventajas que ofrecen estos esquemas frente a las topologías clásicas. Se establecen dos tipos básicos de estos nuevos reguladores, aquellos que utilizan varias tomas y emplean conmutación dura, y los que utilizan únicamente dos tomas y emplean conmutación suave. El capítulo III presenta el análisis de la topología de potencia del regulador rápido de tomas con conmutación dura. Dicho análisis incluye los elementos parásitos, con el propósito de establecer cómo influyen en el comportamiento de los principales parámetros de la topología. Con este mismo fin, se realizó un análisis paramétrico, del cual se muestran los resultados. Asimismo, se presenta la síntesis de la topología de potencia. En el capítulo IV se muestra el diseño de la etapa de control del regulador rápido de tomas con conmutación dura. Dicha etapa consiste en una tarjeta digital basada en un procesador digital de señales (DSP). Se presentan los algoritmos de control implementados, así como la simulación de la respuesta del regulador. En el capítulo V se presentan los resultados experimentales obtenidos con el regulador rápido de tomas con conmutación dura. Dichos resultados muestran la respuesta del regulador, en lazo abierto y en lazo cerrado, ante distintas perturbaciones en la tensión de línea. En el capítulo VI se muestra el desarrollo de un regulador rápido de tomas que utiliza la conmutación cuasirresonante. Se presenta el análisis de la topología de potencia, incluyendo los elementos parásitos. Asimismo, se presenta el análisis paramétrico desarrollado con el fin de observar la influencia de los elementos parásitos en el comportamiento de los principales parámetros de la topología. Se muestra también la etapa de control implementada y los resultados experimentales obtenidos. Por último, en el capítulo VII se muestran las conclusiones del trabajo desarrollado así como las sugerencias para futuras investigaciones y las publicaciones generadas. XVIII

7 Introducción CAPÍTUO I INTRODUCCIÓN En el presente capítulo se muestra, como primer punto, una breve introducción al tema de calidad de la energía eléctrica, haciendo énfasis en las perturbaciones relacionadas con el trabajo desarrollado (sobretensión y bajatensión, tanto de larga como de corta duración, y parpadeo). Posteriormente se muestra el panorama general de la regulación de tensión, en media y baja tensión, así como las soluciones existentes, en especial el uso de los reguladores. I.. Calidad de la energía El concepto de calidad de la energía se ha vuelto muy importante desde principios de los años ochenta, tanto para las compañías generadoras de energía como para los usuarios. Dicho concepto involucra varios aspectos (algunos no necesariamente nuevos). Existen varias razones para que este concepto adquiera cada vez más interés: as cargas actuales se han vuelto más sensibles a las perturbaciones en la red eléctrica que las cargas utilizadas en el pasado. Existe una gran cantidad de ellas que contienen tarjetas de control basadas en microprocesadores y dispositivos electrónicos de potencia, los cuales son sensibles a distintas perturbaciones. Existe un interés creciente en la mejora de la eficiencia de los sistemas de potencia, lo cual ha dado como resultado una mayor utilización de equipos destinados a reducir las pérdidas. Estos equipos pueden ocasionar un aumento en el contenido armónico existente en la línea. Se ha incrementado el interés de los usuarios (especialmente los industriales), acerca de los conceptos relacionados con la calidad de la energía. Esto ha contribuido a un mayor compromiso, por parte de las compañías generadoras, de mejorar las características que presenta la línea de corriente alterna. a mayoría de los equipos se encuentran interconectados a través de las redes eléctricas, lo que ocasiona que la falla de uno de ellos tenga consecuencias sobre los demás.

8 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión Se pueden encontrar diferentes definiciones para el concepto de calidad de la energía: las compañías eléctricas pueden definirlo de acuerdo a la confiabilidad que presenta la red eléctrica según sus estadísticas, los fabricantes de equipo eléctrico pueden definir la calidad de la energía como las características que debe presentar la red eléctrica para que sus equipos trabajen adecuadamente. Dado que la calidad de la energía es un concepto muy relacionado con los usuarios, su percepción tiene prioridad en la definición del concepto. De acuerdo a [], la calidad de la energía se puede definir de la siguiente manera: Cualquier problema de potencia manifestado en una desviación de la tensión, corriente o frecuencia, lo cual resulta en una falla o mala operación de los equipos del usuario. I.. Perturbaciones principales de la red eléctrica os fenómenos asociados a la calidad de la energía (perturbaciones) se pueden dividir en dos categorías []: Permanentes.- Cuando una característica de la tensión o corriente (por ejemplo: la frecuencia o el factor de potencia), nunca es igual al valor nominal o deseado. as desviaciones pequeñas de dicho valor son llamadas variaciones de tensión o variaciones de corriente. Una propiedad de cualquier variación consiste en que siempre presenta un valor en cualquier instante de tiempo, por ejemplo: la frecuencia nunca es exactamente igual a 5 Hz o 6 Hz, el factor de potencia nunca es igual a la unidad. Aleatorios.- Cuando la tensión o corriente se desvía significativamente, pero de manera ocasional de su forma de onda ideal o normal. Estas desviaciones repentinas son llamadas sucesos o eventos (events). Como ejemplos se pueden anotar una caída de tensión debida a la operación de un fusible o relé de protección (circuit breaker), lo cual constituye un evento de tensión y una sobrecorriente distorsionada debida a la conexión de un transformador sin carga, lo cual constituye un evento de corriente. No siempre es posible clasificar dichos fenómenos en una sola de las categorías anteriores, ya que dicha clasificación depende del tipo de problema presente. En la tabla I. se muestran los principales tipos de perturbaciones de la red eléctrica, de acuerdo a los estándares empleados por el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), en coordinación con la International Electrotechnical Commission (IEC). A continuación se definen únicamente las perturbaciones relacionadas con el trabajo desarrollado. Debido a que en algunos casos no existe un término comúnmente aceptado en español, para cada tipo de perturbación se menciona el término en inglés entre paréntesis. Variaciones de tensión de larga duración Una variación de tensión se considera de larga duración cuando el valor eficaz (rms) correspondiente se desvía de ciertos límites, especificados por el American National Standards Institute (ANSI) en [3], durante un tiempo superior a minuto. as variaciones de tensión de larga duración se pueden presentar en forma de sobretensión o baja tensión, las cuales se definen a continuación. a) Sobretensión de larga duración

9 Introducción Tabla I.. Categorías y características de las perturbaciones de la red eléctrica. Categoría Contenido espectral típico Duración típica Magnitud típica Transitorios Impulsivos Nanosegundo Microsegundo Milisegundo Oscilatorios Baja frecuencia Media frecuencia Alta frecuencia Variaciones de corta duración Instantáneas Interrupción Sag (dip) Swell Momentáneas Interrupción Sag (dip) Swell Temporales Interrupción Sag (dip) Swell Variaciones de larga duración Interrupción sostenida Baja tensión Sobretensión 5 ns tiempo de subida µs tiempo de subida. ms tiempo de subida < 5 khz 5 5 khz.5 5 MHz < 5 ns 5 ns ms > ms.3 5 ms µs 5 µs.5 3 ciclos.5 3 ciclos.5 3 ciclos 3 ciclos 3 s 3 ciclos 3 s 3 ciclos 3 s 3 s min 3 s min 3 s min > min > min > min 4 p.u. 8 p.u. 4 p.u. <. p.u...9 p.u...8 p.u. <. p.u...9 p.u...4 p.u. <. p.u...9 p.u... p.u.. p.u..8.9 p.u... p.u. Desbalance de tensión Estado estable.5 % Distorsión de la forma de onda Desplazamiento de CD Armónicos Interarmónicos Ranuras Ruido º armónico 6 khz Banda ancha Estado estable Estado estable Estado estable Estado estable Estado estable. % % % % Fluctuaciones de tensión < 5 Hz Intermitente. 7 % Variaciones de frecuencia < s Una sobretensión de larga duración (overvoltage) es un incremento en el valor rms de la tensión, de forma tal que la misma alcanza un valor mayor a un % de la tensión nominal, a la frecuencia de operación durante un tiempo mayor a minuto. as sobretensiones generalmente son el resultado de la conmutación de cargas (por ejemplo: la desconexión de una carga grande). Se producen debido a que el sistema no es capaz de proporcionar la regulación de tensión deseada o los controles de tensión no son los adecuados. Otra causa puede ser la selección de una toma (tap) incorrecta en los transformadores de distribución. b) Baja tensión de larga duración Una baja tensión de larga duración (undervoltage) es un decremento en el valor rms de la tensión, de forma tal que la misma alcanza un valor menor que el 9% de la tensión nominal, a la frecuencia de operación, durante un tiempo mayor a minuto. as causas de esta perturbación son 3

10 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión inversas a las que producen las sobretensiones, por ejemplo, la conexión de una carga grande. También se pueden deber a una sobrecarga de las líneas. Variaciones de tensión de corta duración Dentro de esta categoría se encuentran comprendidas aquellas variaciones de tensión con una duración menor a minuto. Dependiendo de dicha duración, se clasifican como instantáneas, momentáneas o temporales, tal como se muestra en la tabla I.. A continuación se definen dos de los principales tipos de variaciones de tensión de corta duración (baja tensión y sobretensión). a) Baja tensión de corta duración Una baja tensión de corta duración (sag o dip) es un decremento en la tensión o corriente que ocasiona que éstas alcancen un valor entre el % y el 9% de su valor nominal, con una duración entre.5 ciclos a minuto. Este tipo de perturbación es asociado generalmente con la conexión de grandes cargas o el encendido de motores. Dicha perturbación se muestra en la figura I.-a. Diversos estudios al respecto sobre las causas y efectos de los sags se han realizado en [4]-[]. b) Sobretensión de corta duración Una sobretensión de corta duración (swell) es un incremento en la tensión o corriente que ocasiona que éstas alcancen un valor entre el % y el 8% de su valor nominal, con una duración entre.5 ciclos a minuto. Aunque se asocia a fallas en las condiciones del sistema, no es una perturbación tan común como la baja tensión. Generalmente aparecen en una fase cuando existe una baja tensión de corta duración en otra; también se puede producir por la desconexión de grandes cargas. En la figura I.-b se muestra una forma de onda de tensión con presencia de este tipo de perturbación. Armónicos os armónicos (harmonics) son tensiones o corrientes senoidales cuya frecuencia es un múltiplo entero de aquella a la cual está diseñado el sistema (denominada la frecuencia fundamental, comúnmente 5 o 6 Hz). Se describen de acuerdo al contenido de su espectro, aunque es común utilizar una cantidad para esto, la cual se denomina distorsión armónica total (total harmonic distortion, THD). El estándar para los niveles máximos de contenido armónico que se deben presentar en el sistema de potencia se encuentra definido por el IEEE en [] y [3]. En la figura I.-c se muestra una forma de onda de tensión distorsionada por la presencia de armónicos de bajo orden. Parpadeo as fluctuaciones de tensión (voltage fluctuations) son variaciones sistemáticas de la envolvente de la tensión o cambios de tensión aleatorios. Dichos cambios se encuentran entre el 9% y el % del valor nominal, de acuerdo a lo especificado en [3]. os distintos tipos de fluctuaciones de tensión se definen en [4]-[7]; este tipo de perturbaciones se conoce comúnmente como parpadeo (flicker), debido al efecto que tiene sobre la operación normal de las lámparas, ocasionando un parpadeo visible y molesto. Siendo técnicamente correctos, las fluctuaciones de tensión son un fenómeno electromagnético, mientras que el parpadeo es un efecto indeseable que causa dicho fenómeno sobre algunos tipos de cargas. Sin embargo, los dos términos son utilizados de manera conjunta en los estándares. 4

11 Introducción tensión (p.u.) tensión (p.u.) tiempo (ms) (a) tiempo (ms) tensión (p.u.) tensión (p.u.) tiempo (ms) (b) tiempo (ms) (c) (d) Figura I.. Principales perturbaciones de la red eléctrica: a) sag, b) swell, c) distorsión armónica, d) flicker. Debido a lo anterior, se utilizará el término parpadeo de tensión (voltage flicker) o simplemente parpadeo (flicker), para definir a este tipo de perturbación. a figura I.-d muestra una forma de onda de tensión, en la cual está presente el flicker. Diversos estudios al respecto se han realizado en [8]- [], los cuales muestran las principales características y problemas asociados a este tipo de perturbación. I.3. Regulación de tensión as compañías generadoras de energía eléctrica tratan de mantener la tensión suministrada a los usuarios dentro de un rango igual al ± 5 % del valor nominal. En condiciones de emergencia, durante cortos periodos, el estándar ANSI C84. permite una variación del 6% al 3 % de la tensión nominal [3]. Sin embargo, resulta necesario aclarar que algunas cargas sensibles permiten una variación mucho menor para su correcto funcionamiento y por otra parte, es un hecho que los equipos operan de manera más eficiente con una tensión de entrada cercana a la nominal. a principal causa de la mayoría de los problemas de regulación de tensión está basada en la alta impedancia que existe en el sistema de potencia que alimenta a las cargas, tal como se muestra en la figura I.. Debido a lo anterior, la tensión cae a un valor bajo cuando existe una demanda grande de corriente. Por otro lado, si la tensión se aumenta para compensar esta caída, puede existir una sobretensión en caso de que la carga disminuya. as acciones correctivas generalmente involucran ya sea la compensación de la impedancia Z, o la compensación de la caída de tensión en la impedancia de línea, R jx. 5

12 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión Z = R jx V IR I IX V Carga V I V (a) (b) Figura I.. Sistema de alimentación de energía eléctrica: a) esquema general, b) tensiones y corrientes presentes en el diagrama. as opciones para mejorar la regulación de tensión se pueden dividir en aquellas utilizadas para media y alta tensión, y las que se emplean para baja tensión. A continuación se presentan los equipos utilizados en ambos casos. I.4. Equipos para regulación en media tensión Entre las opciones para mejorar la regulación en media tensión se encuentran las siguientes: instalación de condensadores, en serie o paralelo uso de compensadores estáticos de Volt-Amperes reactivos (VAR) empleo de transformadores con conmutación en carga uso de reguladores de tensión por pasos os condensadores en paralelo ayudan a mantener la tensión en el valor especificado mediante la reducción de la corriente en las líneas. Sin embargo, al compensar los circuitos inductivos, se puede alcanzar un pico de tensión. Con el propósito de mantener una tensión constante, los condensadores se pueden conmutar de acuerdo a la carga, algunas veces en pequeños incrementos para poder seguir las variaciones de la misma. Si el objetivo principal consiste en mantener la tensión en un valor mayor que el especificado, se utilizan condensadores de valor fijo (sin conmutación) para prevenir una condición de baja tensión de larga duración. El uso de condensadores en serie es relativamente raro, sin embargo, son muy útiles para algunas cargas impulsivas como taladros para roca (rock crushers). a mayoría de los usuarios potenciales desisten de su uso debido al cuidado extremo que se debe de tener para su instalación. Sin embargo, los condensadores en serie son muy efectivos bajo ciertas condiciones del sistema, principalmente ante la presencia de grandes cargas que varían rápidamente ocasionando flicker. os condensadores en serie son capaces de compensar la mayoría de la inductancia del sistema, adelantándolo. Si el sistema es altamente inductivo, lo anterior representa una reducción significativa en la impedancia de línea. Si el sistema no es altamente inductivo, pero tiene una alta proporción de resistencia, los condensadores en serie no son muy efectivos. Esto es típico en la mayoría de los sistemas industriales los cuales presentan cables de gran longitud entre el transformador y la carga. Para lograr una reducción significativa de la impedancia es necesario cambiar el cableado o el transformador. Otra solución al problema de las cargas que ocasionan flicker consiste en el uso de compensadores estáticos de VAR. Dichos equipos pueden reaccionar en unos cuantos ciclos para mantener la tensión prácticamente constante mediante el control de la potencia reactiva. Son utilizados comúnmente en industrias que emplean hornos de arco y otros tipos de cargas que varían 6

13 Introducción aleatoriamente, donde el sistema presenta una impedancia elevada y el flicker resultante afecta a los usuarios cercanos. Por otro lado, se encuentran los transformadores con cambio de tomas en carga (on-load tap changers) mecánicos o electrónicos, la mayoría se basa en el uso de autotransformadores, aunque en muchas aplicaciones se utilizan transformadores. os equipos mecánicos son utilizados para variaciones lentas de carga, mientras que los electrónicos pueden responder en un corto tiempo a los cambios de tensión. Condensadores para regulación de tensión os condensadores pueden ser utilizados para regulación de tensión, ya sea en configuración serie o paralelo. a) Condensadores en paralelo De acuerdo a la figura I.3-a, la conexión de condensadores al final de la línea de alimentación, en paralelo con la carga, produce un aumento gradual de la tensión a lo largo de la misma. Sin embargo, al utilizar condensadores con esta configuración, el porcentaje de variación de la tensión es independiente de la carga. Por lo tanto, se utiliza la conmutación automática para obtener la regulación deseada con cargas grandes, y prevenir sobretensión con carga baja. o anterior puede resultar en sobretensiones transitorias en las instalaciones del usuario. a conexión de condensadores en paralelo puede ocasionar problemas de armónicos. b) Condensadores en serie os condensadores conectados en serie, cuyo esquema de conexión se muestra en la figura I.3- b, a diferencia de aquellos conectados en paralelo, producen un aumento de la tensión que varía directamente con la corriente de carga. Dicho aumento de tensión es igual a cero sin carga, e igual a un valor máximo a plena carga. Debido a lo anterior, no es necesario conmutar los condensadores en serie de acuerdo a los cambios que se presenten. Además, un condensador en serie necesita ser especificado a una menor tensión y potencia (kv y kvar) con respecto a un condensador en paralelo que proporcione la misma regulación. Sin embargo, los condensadores en serie presentan serias desventajas. a primera consiste en que no pueden realizar compensación de potencia reactiva a las cargas conectadas y por lo tanto no reducen significativamente las pérdidas del sistema. os condensadores en serie sólo pueden liberar capacidad adicional del sistema si ésta se encuentra limitada por una excesiva caída de tensión. os condensadores en paralelo, en cambio, son efectivos también cuando la capacidad del sistema está limitada por una corriente alta. a segunda desventaja principal consiste en que los condensadores en serie no pueden tolerar una falla de corriente, la cual puede resultar en una sobretensión considerable y debe de prevenirse mediante un circuito auxiliar de desconexión y reconexión. Existen otros aspectos que se deben evaluar antes de conectar un condensador en serie, entre los cuales se pueden mencionar la resonancia con los motores de inducción y síncronos, además de la ferrorresonancia con los transformadores. Debido a lo anterior, resulta muy limitado el uso de los condensadores conectados en serie con la línea de distribución. Sin embargo, su aplicación para reducir la impedancia de la línea, y por lo tanto el flicker, ha presentado importantes ventajas. 7

14 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión ínea de distribución Aumento de tensión debido al condensador ínea de distribución C Aumento de tensión debido al condensador Caída de tensión debida a la carga Tensión resultante Caída de tensión debida a la carga Tensión resultante Condensador Carga Carga (a) (b) Figura I.3. Conexión de condensadores para regulación de tensión: a) en paralelo, b) en serie. Compensadores estáticos de VAR os compensadores estáticos de VAR (static var compensators) pueden aplicarse ya sea a los sistemas de distribución o industriales. Su función consiste en mantener la tensión regulada mediante una respuesta rápida para compensar la potencia reactiva (mediante su consumo o suministro), lo anterior actuando con la impedancia del sistema para aumentar o disminuir la tensión con una base ciclo a ciclo. Existen dos tipos principales de compensadores estáticos de VAR, tal como se muestran en la figura I.4. El esquema con reactor controlado por tiristor (thyristor controlled reactor, TCR), mostrado en la figura I.4-a, es quizás el más utilizado. Emplea un banco de condensadores fijo para proveer la potencia reactiva en adelanto y una inductancia controlada por tiristor el cual es conmutado varias veces para compensar el efecto de los condensadores. Éstos se configuran generalmente como filtros para corregir la distorsión armónica causada por los tiristores. El esquema que emplea condensadores conmutados con tiristores (thyristor switched capacitor), mostrado en la figura I.4-b, opera mediante la conmutación rápida de varios pasos de condensadores para cumplir con los requerimientos de la carga tanto como sea posible. No ofrece una regulación tan fina como el TCR, pero generalmente es suficiente. El punto de conmutación es controlado de tal forma que no existan transitorios ni armónicos de corriente. Reguladores de tensión por pasos De acuerdo al estándar C del IEEE [3], el cambiador de tomas en carga (load tap changer, TC), se define como un equipo con interruptor selector, el cual puede incluir conmutadores para interrumpir la corriente, utilizado para cambiar las tomas de un transformador, cuando éste se encuentra operando y manejando la carga nominal. Dicho estándar se refiere a cambiadores de tomas instalados en transformadores de potencia y transformadores reguladores de tensión, de todos los niveles de tensión y de potencia (kva). Aunque el estándar anterior se refiere principalmente a los transformadores sumergidos en aceite mineral, puede ser utilizado para cualquier tipo de fluido aislante y otras condiciones. Este tipo de equipos puede contener un mecanismo con accionamiento por motor para realizar el cambio de tomas. 8

15 Introducción T Carga T T T Carga C C C C (a) (b) Figura I.4. Compensadores estáticos de VAR: a) reactor controlado por tiristor, b) condensadores conmutados por tiristores. Fuente Fuente Carga Carga Figura I.5. Esquemas básicos de reguladores de tensión por pasos. Por otro lado, el estándar C del IEEE [4] define al regulador de tensión por pasos (step-voltage regulator) como un dispositivo de inducción, conteniendo uno o más devanados en paralelo, excitados a partir de un devanado primario, además de contener uno o más devanados en serie entre el primario y la salida regulada; todo lo anterior adaptado para el control de la tensión y/o el ángulo de fase de la salida regulada a través de pasos mediante el cambio de tomas sin interrumpir la alimentación de la carga. El regulador basado en cambiadores de tomas utilizado en media y alta tensión generalmente puede regular la tensión de línea en un rango de entrada de ±% mediante 3 pasos de.65%. Aunque existen algunas variantes, la mayoría de los reguladores son de este tipo. os transformadores de distribución de las subestaciones generalmente contienen cambiadores de tomas en carga trifásicos, los cuales están constituidos por tres módulos monofásicos, mientras que los reguladores en las líneas de alimentación (feeders) son de tipo monofásico, generalmente []. a figura I.5 muestra los dos esquemas principales de los reguladores de tensión por pasos. Aunque el concepto de un autotransformador con cambiador de tomas es simple, un regulador de tensión de línea es un equipo complejo, el cual está compuesto por varios dispositivos y diseñado para obtener un mecanismo de conmutación de tomas de alta confiabilidad y larga duración. os reguladores anteriores son relativamente lentos. El tiempo de retraso a partir de que la tensión se sale del rango especificado es de al menos 5 s, con un valor típico de 3 a 45 s. o anterior no resulta viable cuando la tensión varía en cuestión de algunos ciclos o segundos. Su aplicación principal consiste en elevar la tensión en líneas de gran longitud. El rango típico de variación de tensión 9

16 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión permitido a la salida es de.5 a 3. V, teniendo como base una tensión de V. El control puede ser especificado para mantener la tensión en un punto del sistema de distribución que se encuentre muy alejado, mediante el uso del compensador de la caída de tensión de la línea. o anterior tiene como resultado una respuesta de tensión de mayor nivel promedio, además de que ayuda a prevenir sobretensiones a los usuarios que se encuentran conectados cerca del regulador. os controles se encuentran integrados al equipo y cada fase se controla por separado. A continuación se analizarán algunos tópicos particularmente importantes en calidad de la energía: el uso del compensador de la caída de tensión de línea para mejorar el comportamiento de la misma, y el rechazo de carga en la aplicación de los reguladores en serie. a) Compensador de la caída de tensión de línea os reguladores son muy efectivos para aliviar las condiciones de baja tensión en los sistemas de distribución cuando la carga ha superado la capacidad de los mismos en las horas de demanda pico. Debido al tiempo que tomaría determinar los parámetros correctos para la compensación, los valores de R y X de la impedancia de línea son frecuentemente puestos a cero y el punto de referencia (set point) de regulación de tensión es puesto cerca del máximo valor disponible (5 o 6 V con un valor nominal de V). o anterior tiene como resultado que la tensión del sistema de distribución permanece en un valor cerca del máximo la mayor parte del tiempo, debido a que la carga alcanza su valor pico durante un pequeño porcentaje de las horas del día. Esto resulta suficiente para la mayoría de los casos, sin embargo, presenta las siguientes desventajas: os transformadores operan cerca del punto de saturación, produciendo corrientes armónicas y pérdidas, contribuyendo por lo tanto a la distorsión armónica del sistema, lo cual puede ser especialmente problemático con una carga baja. os usuarios pueden necesitar un reemplazo más frecuente de sus lámparas incandescentes. El propósito del compensador de la caída de tensión de línea consiste en mejorar el comportamiento de la misma, de tal forma que cuando se tenga un pico de demanda el regulador proporcione la elevación de tensión necesaria, mientras que cuando haya una disminución en la carga la tensión se mantenga en un valor cercano al nominal. En la figura I.6 se muestra un esquema de regulación sin compensación de la caída en el cual la tensión permanece en un valor 5% mayor al nominal (6 V, en un sistema con un valor nominal de V). Debido a que existe una histéresis en el control, la tensión podría alcanzar un valor superior. En la figura I.7 se puede observar que la tensión se ajusta a V (% del valor nominal) con el compensador conectado a cierta distancia del sistema de distribución. Cuando existe un pico de demanda, la tensión se eleva a un valor igual al 5% del nominal, para asegurar que se tendrá dicho valor nominal al final de la línea de distribución. Sin embargo, con una carga pequeña, la tensión se ajusta a un valor muy cercano al nominal. Existen varios métodos para determinar los valores necesarios para la compensación de la caída de tensión. os fabricantes proveen programas de computadora para el cálculo de los parámetros, una vez que se conocen ciertos valores del sistema. Algunas compañías generadoras han determinado puntos de referencia estándar, los cuales han sido muy efectivos. A veces se determinan los valores de R y X enviando a un técnico a un punto de baja tensión mientras otro ajusta los parámetros. o anterior debe de realizarse, idealmente, en un momento de pico de demanda, de tal manera que los valores encontrados sean acordes a esta condición. Además, se debe de analizar el comportamiento del sistema durante varios días para estar seguros que los valores son los adecuados. Obviamente, el proceso anterior toma tiempo, además de que no resulta óptimo enviar al personal a realizar las mediciones. Debido a esto, los fabricantes están dotando a sus equipos de sistemas de telecomunicación, con lo cual el ajuste se puede realizar desde un centro de control [].

17 Introducción Generación y transmisión Subestación Regulador Distribución 5% Comportamiento de la tensión ante una carga pequeña % 95% Generación y transmisión Comportamiento de la tensión ante un pico de demanda Figura I.6. Comportamiento de la tensión de línea sin compensación de la caída. Subestación Regulador Distribución Punto de colocación del compensador de la caída de tensión de línea 5% Comportamiento de la tensión ante una carga pequeña % 95% Comportamiento de la tensión ante un pico de demanda Figura I.7. Comportamiento de la tensión de línea con compensación de la caída. b) Reguladores en serie En áreas pobladas que se encuentran muy alejadas no es raro encontrar dos o más bancos de reguladores en serie en las líneas de distribución extremadamente largas que alimentan cargas remotas. as dos áreas principales en que se lleva a cabo esta aplicación son la minería y los sistemas de irrigación, donde las líneas se extienden por varios kilómetros con cargas ocasionales. Dichas aplicaciones requieren consideraciones especiales para prevenir problemas de calidad de la energía. Una consideración importante para la coordinación de los reguladores consiste en especificar correctamente el tiempo de retraso. El regulador más cercano a la subestación se ajusta con el tiempo de retraso más corto, típicamente de 5 a 3 s. os reguladores más alejados se ajustan con tiempos de retraso mayores a 5 s. o anterior minimiza el cambio de tomas en los reguladores que se encuentran al final de la línea de alimentación, manteniendo las variaciones de tensión al mínimo y alargando así, la vida útil de los contactores. El principal problema que se presenta en estos casos es el rechazo de carga, tal como se muestra en la figura I.8. Si la carga se desconecta repentinamente, lo cual puede ocurrir después de una falla, puede ocasionar un aumento de tensión muy grande al final de la línea, debido a que se va sumando el aumento de tensión que produce cada regulador, el cual puede ser igual a un % o más del valor nominal. a propia saturación del transformador y si existe un poco de carga pueden ayudar a bajar la tensión, sin embargo, ésta puede permanecer en valores muy elevados. Con el propósito de minimizar el daño a las cargas, los reguladores emplean un esquema de control, el cual reduce el tiempo normal de conmutación de los reguladores a un valor tan bajo como sea posible, con ó 4 s para cada cambio de toma.

18 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión Generación y transmisión Subestación Regulador Regulador Distribución Comportamiento de la tensión después del rechazo de carga 5% % 95% Comportamiento de la tensión antes del rechazo de carga Figura I.8. Sobretensión debida al rechazo de carga en condensadores en serie. Mejoras y aplicaciones de los reguladores de tensión por pasos os reguladores anteriores emplean generalmente elementos electromecánicos para el cambio de tomas, lo cual presenta las desventajas de un tiempo de respuesta considerable, además de requerir un mantenimiento frecuente. Diversos esquemas se han propuesto en [5]-[3] para superar estas desventajas, los cuales se basan en la sustitución de los interruptores electromecánicos por tiristores, con lo que se elimina la necesidad de un mantenimiento frecuente, además de que se reduce el tiempo de respuesta. Sin embargo, este tiempo aún puede ser igual a varios ciclos de línea, dependiendo del salto de tomas necesario. En [3] se reporta el diseño y la implementación de un cambiador de tomas utilizado para la mejora de la regulación de tensión en subestaciones ferroviarias. Asimismo, en [33] se reporta otra aplicación importante de los cambiadores de tomas, la cual consiste en el control del ángulo de fase (phase angle regulator), basada en la variación del ángulo de desplazamiento de la tensión de fase de la línea de alimentación. o anterior se consigue mediante la suma o resta de una componente de tensión perpendicular a la tensión de la línea. Dicha componente perpendicular se obtiene a partir de un transformador conectado entre las otras dos fases. El rango de regulación del ángulo de fase depende del número de devanados, de la relación de transformación de cada uno y del sentido en que se conectan. Comparación de los distintos equipos para regulación en media tensión En la tabla I. se muestra una comparación de las distintas opciones existentes para regulación en media tensión. Dicha tabla incluye, entre otras, las siguientes características: respuesta, eficiencia, ventajas, desventajas y aplicación.

19 Introducción Condensadores en serie Tabla I.. Características principales de los equipos para regulación en media tensión. Nombre Compensa Eficiencia Respuesta Ventajas Desventajas Aplicación Variaciones de tensión de larga duración, flicker Condensadores en paralelo Compensadores estáticos de VAR Reguladores de tensión por pasos Variaciones de tensión de larga duración Variaciones de tensión de larga duración, flicker Variaciones de tensión de larga duración Alta Rápida Tensión proporcional a la corriente de carga, no necesitan ser conmutados, especificación de V y VA menor Alta Rápida Reducen la corriente en las líneas, conexión simple, tolerancia a corrientes de corto Alta I.5. Equipos para regulación en baja tensión Muy rápida Compensan potencia reactiva Alta enta Esquemas sencillos No compensan potencia reactiva, no toleran una corriente de corto, resonancia, instalación complicada Necesitan ser conmutados, picos de tensión, armónicos Usos de componentes activos, armónicos Regulación dependiente del punto de conexión, rechazo de carga Sistemas de distribución e industriales, taladros para roca, cargas grandes que varían rápidamente Sistemas de distribución e industriales Sistemas de distribución e industriales, hornos de arco, cargas que varían rápida y aleatoriamente Sistemas de transmisión, distribución e industriales, líneas con impedancia elevada Entre las opciones para mejorar la regulación en baja tensión se encuentran las siguientes: conjuntos motor-generador sintetizadores magnéticos sistemas de alimentación ininterrumpible transformadores ferrorresonantes reguladores de tensión reguladores automáticos de tensión troceadores de CA A continuación se mencionan las características principales de cada uno de estos equipos. 3

20 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión Motor síncrono o de inducción flywheel para almacenamiento mecánico de energía Generador Figura I.9. Esquema general de un conjunto motor-generador. Entrada Trifásica Transferencia de energía y aislamiento de línea Síntesis de la forma de onda y almacenamiento inductivo de energía Salida Trifásica Almacenamiento capacitivo de energía Conjuntos motor-generador Figura I.. Diagrama general de un sintetizador magnético. os conjuntos motor-generador (motor-generator sets, M-G), cuyo esquema se muestra en la figura I.9, pueden ser utilizados para regulación de tensión. Estos equipos desacoplan por completo la carga de la red eléctrica, aislándola de cualquier transitorio. a regulación de tensión se obtiene mediante el control del generador. a principal desventaja de este tipo de equipos consiste en su tiempo de respuesta ante variaciones de carga, ya que pueden tomar varios segundos para hacer que la tensión vuelva al nivel especificado, por lo tanto, son muy lentos para cierto tipo de cargas, especialmente aquellas que varían rápidamente. os conjuntos motor-generador se pueden utilizar para compensar sags, mediante el almacenamiento mecánico de energía. os M-G se fabrican en una variedad de tamaños y configuraciones. Como ejemplo se puede mencionar el M-G que utiliza un generador síncrono accionado por un motor, el cual puede producir una onda de salida a una frecuencia constante de 6 Hz, independientemente de la velocidad del mismo. Sintetizadores magnéticos os sintetizadores magnéticos son utilizados principalmente para compensación de sags, sin embargo, también se pueden utilizar para regulación de tensión en estado estable. Algunos equipos presentan como características una variación permitida de la tensión de entrada igual a ± 4%, con una regulación de la tensión de salida de ± 5% a plena carga. os sintetizadores magnéticos son equipos utilizados generalmente para grandes cargas, las cuales deben de ser del orden de varios kva para poder justificar el costo de estos equipos. Se utilizan para alimentar computadoras grandes y otros equipos electrónicos que son sensibles a la variación de tensión. El sintetizador magnético es un equipo que toma la potencia de entrada y la regenera en una tensión de salida sin distorsión, trifásica, independientemente de la calidad de la energía eléctrica de entrada. a figura I. muestra el diagrama general de este tipo de equipos. a transferencia de energía y el aislamiento de la línea de CA se logra mediante el uso de inductores no-lineales, lo cual elimina problemas tales como el ruido de línea. Mediante la combinación de distintos pulsos obtenidos a partir de transformadores saturados, se construyen las 4

21 Introducción formas de onda de la tensión de CA de salida. a energía necesaria para las formas de onda se almacena en los transformadores saturados y en condensadores en forma de tensión y corriente. o anterior permite obtener a la salida una forma de onda con una distorsión armónica muy baja. Sistemas de alimentación ininterrumpible os sistemas de alimentación ininterrumpible (uninterruptible power supply, UPS) son capaces de compensar sags e interrupciones, por lo tanto pueden ser utilizados para regular tensión, siempre que la tensión de entrada sea lo suficientemente elevada para mantener cargadas las baterías. Es una solución común para computadoras críticas y pequeñas cargas de control electrónico en ambientes industriales donde se tienen cargas muy grandes y variables, lo cual ocasiona que la tensión varíe. Sin embargo, presentan como serias desventajas un costo muy elevado y una eficiencia media (dependiente del modelo y la potencia). a) UPS en línea a figura I. muestra la configuración típica de un UPS en línea (on-line), en este caso, la carga siempre se alimenta a través del UPS. a línea de CA de entrada se rectifica a CD, con lo que se carga un banco de baterías, posteriormente, la energía es invertida a CA para alimentar a la carga. Si la línea de CA falla, el inversor se alimenta de las baterías y continua suministrando energía a la carga. Además de alimentar a la carga ante cortes largos de energía, el UPS on-line proporciona un excelente aislamiento para una carga crítica ante cualquier perturbación de la línea. b) UPS fuera de línea a figura I. muestra el esquema básico de un UPS fuera de línea (off-line o standby), en la cual la carga se encuentra alimentada normalmente por la línea de CA, y sólo en caso de una falla, se conmuta a la alimentación a través del UPS. Un parámetro muy importante es el tiempo que le toma realizar la conmutación, el cual no debe ser mayor a 8 ms, de acuerdo a la curva CBEMA [34]. c) UPS híbrido a figura I.3 muestra la configuración básica de un UPS híbrido, el cual es similar al esquema off-line, con la adición de un transformador ferrorresonante a la salida para proporcionar alimentación a la carga y una alimentación momentánea cuando se realiza la transferencia de alimentación de la línea al UPS. ínea de CA Rectificador cargador Inversor Carga Baterías Interruptor estático Figura I.. Diagrama general de un UPS on-line. 5

22 Síntesis de un regulador monofásico de tomas de C.A. para aplicaciones de media y baja tensión Conexión normal a la línea ínea de CA Rectificador cargador Inversor Carga Baterías Interruptor estático Figura I.. Diagrama general de un UPS off-line. Conexión normal a la línea ínea de CA Rectificador cargador Inversor Transformador ferrorresonante Carga Baterías Transformadores ferrorresonantes Figura I.3. Diagrama general de un UPS híbrido. os transformadores ferrorresonantes, también llamados transformadores de tensión constante (constant-voltage transformer, CVT), pueden compensar la mayoría de las condiciones provocadas por los sags. Resultan especialmente atractivos para su uso en cargas constantes, de baja potencia. as cargas variables, en especial aquellas con picos grandes de corriente de encendido, presentan problemas para estos transformadores, debido al circuito sintonizado que tienen a la salida. Consisten básicamente en un transformador con una relación :, el cual se excita en su curva de saturación; debido a lo anterior proporcionan una tensión a la salida que no se ve afectada por las variaciones de la tensión de entrada. a figura I.4 muestra el esquema básico de un transformador ferrorresonante típico. os transformadores ferrorresonantes son muy útiles cuando se conectan en el punto final de la línea de alimentación (conexión del usuario), no solamente para proteger al equipo de los sags, sino que también pueden proporcionar una regulación de tensión muy buena, del orden del ±% a la salida. En la figura I.5 se muestran las características de entrada-salida en estado estable de un transformador ferrorresonante de VA con una carga de 5 VA. a tensión de salida permanece constante con un valor de tensión de entrada tan bajo como 3 V. Debido a lo anterior, la corriente manejada por el transformador ferrorresonante se incrementa sustancialmente de.4 a A. Sin embargo, estos equipos presentan una desventaja considerable debido a las pérdidas tan elevadas que presenta, lo que ocasiona una eficiencia muy baja (del orden del 7% para una potencia de kva). 6

23 Introducción ínea de CA Devanado primario Devanado compensador C Carga Devanado neutralizador Devanado secundario Figura I.4. Esquema general de un transformador ferrorresonante. (V) Tensión de salida Corriente de entrada (A) Tensión de entrada (V) Figura I.5. Características de entrada-salida de estado estable de un transformador ferrorresonante. 8 Tensión de entrada mínima (%) Porcentaje de carga Figura I.6. Tensión del sag permitida contra porcentaje de la carga manejada por el transformador ferrorresonante. os transformadores ferrorresonantes deben construirse para una potencia cuatro veces mayor que la de la carga. a curva de la figura I.6 muestra la magnitud permitida de un sag, como porcentaje de la tensión nominal, contra la potencia manejada por el transformador. Se puede observar que para una carga del 5% la magnitud permitida del sag es del 3%, lo cual significa que la tensión de salida se mantendrá en un valor superior al 9% del valor nominal, cuando la tensión de entrada es igual o mayor a un 3% del valor nominal. o anterior es importante debido a que la tensión rara vez cae a un valor menor al 3% durante un sag. Conforme la carga aumenta, la capacidad de compensación del transformador va disminuyendo. 7