PAPER 1/6. Medición de Parámetros de Calidad de la Energía Eléctrica Aplicando Instrumentación Virtual

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1 PAPER 1/6 Title Medición de Parámetros de Calidad de la Energía Eléctrica Aplicando Instrumentación Virtual Registration Nº: (Abstract) Sesión 5: CALIDAD DE SERVICIO Y DEL PRODUCTO TÉCNICO Authors of the paper Name Country Suárez, Juan Antonio Argentina jsuarez@fi.mdp.edu.ar Murcia, Guillermo Argentina gjmurcia@fi.mdp.edu.ar Strack, Jorge Argentina jlstrack@fi.mdp.edu.ar Jacob, Susana Argentina sujacob@fi.mdp.edu.ar Branda, Julio Argentina jbranda@fi.mdp.edu.ar Grupo L.A.T., Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de Mar del Plata Juan B. Justo 4302, (7600) Mar del Plata. T.E (230) Key words Armónicos, distorsión de corriente, instrumentación virtual, modelado y simulación. En este artículo se describe un dispositivo analizador de armónicos en desarrollo, compuesto por un módulo de acondicionamiento y adquisición de señales, una computadora personal y un software de análisis para evaluar los parámetros característicos de los índices de la calidad de la energía eléctrica. Este equipo fue diseñado con fines académicos y puede utilizarse para monitoreo de variables eléctricas en los distintos edificios dependientes de la Universidad Nacional de Mar del Plata. El módulo de adquisición de señales de corriente y tensión consta de un transformador de intensidad y uno de tensión, sendos circuitos acondicionadores y una placa adquisidora de bajo costo que utiliza un PIC (Peripheral Interface Controller) 18F2550. El software de análisis basa su funcionamiento en aplicaciones desarrolladas en el lenguaje de programación gráfica LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) de National Instruments.

2 I. INTRODUCCIÓN Hoy en día, la calidad de la energía eléctrica es un tema de trascendental importancia que afecta tanto a los productores como a los consumidores de energía eléctrica, incluyendo a fabricantes de equipos. Si bien la onda de tensión generada en una central eléctrica puede contener un índice despreciable de distorsión, esta señal puede llegar al usuario final con un contenido de armónicos importante, a consecuencia de las distintas cargas no lineales vinculadas al sistema de distribución. Entre las cargas no lineales con posibilidades de alta concentración de unidades, se encuentran las computadoras personales (PCs), lámparas fluorescentes de bajo consumo (LFCs), variadores de velocidad y todos aquellos dispositivos que incluyan componentes electrónicos en su diseño. Existen normas a nivel mundial (IEEE-519, IEC 61000, EN 50160) que tratan la calidad de la energía, proponiendo límites a la emisión de armónicos a los fabricantes de equipos eléctricos [1]. Las cargas no lineales son fuentes de generación de armónicos impares de corriente y responsables de la distorsión de la forma de onda de tensión en el punto de conexión común (PCC), a causa de la impedancia de cortocircuito de la red. Muchos son los problemas que pueden provocar los armónicos en una red. Entre ellos, que los índices máximos de distorsión de corriente y tensión sean excedidos, provocando riesgos en equipos sensibles (computadoras personales, dispositivos de protección, banco de capacitores, motores, etc.), [2]. Entre otras de las consecuencias que acarrea la presencia de armónicos en la red, se encuentra el impacto provocado en la corriente de neutro. La literatura técnica advierte que es probable encontrar como máximo una corriente de neutro igual a 3 veces la corriente de línea, conclusión demostrable desde el punto de vista teórico [3]. Es evidente que si las fases de un sistema trifásico alimentan cargas con alto contenido de armónicos (computadoras, monitores, lámparas fluorescentes, etc.), la recomendación clásica de considerar una sección en el conductor del neutro inferior a las de las fases deja de tener sustento [3]-[6]. Actualmente existen en el mercado una gran variedad de analizadores de armónicos. Estos equipos permiten además programar y almacenar los parámetros clásicos de evaluación de una red: distorsión armónica de tensión, corriente, potencias (activa, reactiva, aparente), factor de desplazamiento, factor de potencia verdadero, valores eficaces de tensión, corriente, con sus respectivas formas de ondas, acompañadas con los componentes armónicos en valores de amplitud y fase. II. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO En el presente trabajo se expone la aplicación desarrollada como un instrumento virtual en el entorno de programación de LabVIEW. LabVIEW, es un paquete de software de desarrollo de aplicaciones, llamadas VI (Virtual Instruments) con funciones integradas, que permite realizar adquisición de datos, control de instrumentos, análisis de medidas y la presentación de los datos. Este programa en lugar de utilizar sentencias en líneas de texto como los lenguajes convencionales, hace uso de iconos gráficos, de ahí que también se lo reconozca como lenguaje de Programación Gráfica G. Posee dos entornos de trabajo, uno el panel frontal, en el cual se representan los instrumentos y componentes convencionales encontrados en cualquier frente de tablero eléctrico: amperímetros, voltímetros, lámparas, pulsadores, interruptores, osciloscopios, etc., conformando la interfaz interactiva de usuario y otro que se corresponde con el diagrama de bloques, que es el ámbito donde se insertan funciones y conexiones entre éstas y los dispositivos del panel frontal. El diagrama de bloques representa el código fuente de la aplicación, constituyendo la solución gráfica ante un determinado problema de programación. Una opción muy útil en este lenguaje, es poder definir los llamados sub-vi, (equivalente a las funciones o subrutinas de los lenguajes convencionales) que simplifican esquemas complejos a otros más reducidos, representados por un icono y los terminales de entrada y salida. El icono y los conectores de un VI funcionan como una lista de parámetros gráficos de forma que otros VIs puedan pasar datos a un determinado sub-vi. La aplicación desarrollada, la hemos denominado Analizador Virtual de Armónicos, (AVA), y examina en tiempo real el comportamiento de armónicos de cargas no lineales, con la posibilidad no solo de capturar las señales de tensión y corriente, sino también de simular su comportamiento posterior. Esto es posible al almacenar las formas de ondas en archivos recuperables por el mismo programa, conformando librerías con los distintos tipos de cargas usadas por usuarios residenciales, comerciales e industriales. El AVA, permite evaluar los niveles de distorsión armónica de corriente y tensión, además de efectuar simulaciones sobre el impacto que tienen en los mismos la impedancia de línea (efecto atenuación) [7]. El efecto diversidad se analiza cuando distintas tipos de cargas se conectan simultáneamente [8]. La incidencia de armónicos en la corriente de neutro también puede ser analizada. 2

3 III. METODOLOGÍA EMPLEADA El proyecto está desarrollado en dos etapas: hardware y software. En la primera se concentra la fase de acondicionamiento y adquisición de las señales de corriente y tensión utilizando un microcontrolador PIC18F2550 (Fig. 1). En la segunda se lleva a cabo el tratamiento de señales, a través de los distintos módulos de programación en el entorno de lenguaje G de LabVIEW. Entre los módulos desarrollados en esta etapa, diferenciamos, (Fig. 2): - Simulación efecto diversidad. - Simulación distorsión de tensión. - Cálculo de la corriente de neutro. FUENTE Sensor Tension CH_A Sensor Corriente CH_B Acondicionadores PIC18F2550 CARGA USB PC (LABVIEW) Fig. 1. Arquitectura de las etapas de la aplicación desarrollada. Esta tensión alterna de 2.5V pico es luego sumada a una tensión continua de 2.5V (punto medio entre R3 y R4), a fin de lograr tensiones en la entrada analógica del PIC compatibles con los 5V pico de su conversor analógico digital, y poder así medir tanto los semiciclos positivos como negativos de la tensión de red con el PIC18F2550. Como se puede deducir, cuando la tensión de la red es 0V, la tensión aplicada al microcontrolador es 2.5V. Para la medición de la corriente se emplea una resistencia de bajo valor en el secundario del transformador de intensidad (0.22Ω a fin de no superar su prestación), en la cual se produce una caída de tensión proporcional a la corriente a medir. Esta caída de tensión es amplificada con el uso de un operacional TL084 a fin de aumentar la sensibilidad del conjunto para corrientes de bajo valor. Luego, al igual que para la tensión, la tensión de salida del amplificador operacional se suma a una continua de 2.5V para poder medir los semiciclos positivos y negativos de la corriente. Se han empleado diodos Zener de 5.1V con fines de protección. Fig. 2. Panel frontal con el menú principal del programa. IV. DESARROLLO 1.- Acondicionamiento para la Adquisición de Datos: Hardware Como puede verse en la Fig 3, para la medición de la tensión y la corriente en una carga monofásica el equipo emplea sendos transformadores de tensión y corriente, cuya función es aislar eléctricamente el circuito a medir con el circuito de medición. Para el caso de la tensión, el circuito de acondicionamiento consiste simplemente en un divisor resistivo conectado al secundario de un transformador de medición, con el objetivo de lograr caídas de tensión en R 2 del orden de 2.5V pico como máximo. Fig. 3.- Diagrama de los circuitos de acondicionamiento para la adquisición de datos con PIC18F2550. a) Circuito de tensión, b) Circuito de corriente 2.- Acondicionamiento para la Adquisición de Datos: Software El microcontrolador fue programado en C para muestrear dos canales analógicos (a elección) en 10 bits, a una tasa de muestreo que puede ajustarse desde Labview, y almacenar los valores medidos en su memoria RAM para luego enviarlos a la PC, todo por vía RS232 con el objeto de establecer a posteriori un enlace inalámbrico por radio frecuencia. En la Fig. 4 se muestra el sub-vi que gestiona la comunicación entre la PC y el microcontrolador. Una vez que este recibe el carácter T proveniente de la PC, carga los siguientes cuatro caracteres en las variables CH_A, CH_B, retardo1 y retardo2. 3

4 Con esto se logra enviar al microcontrolador en forma sencilla los canales a adquirir e información para fijar la frecuencia de muestreo. Con las variables retardo1 y retardo2 se calcula la variable retardo dentro del PIC, y se configura el TIMER 1 (interrupción CCP1) que genera la interrupción de tiempo necesaria para la toma de datos a intervalos regulares. Como la comunicación usada con la PC es RS-232 que utiliza 8 bits de datos, para poder enviar cada muestra tomada en 10 bits desde el PIC a la PC se usan dos elementos de un vector llamando envía, con lo cual en cada ciclo de muestreo se cargan 4 elementos de dicho vector (2 con los bits menos significativos y 2 con los más significativos de cada canal elegido). Estos bits del vector envía se reciben en la PC con la herramienta Visa Read, para luego con el uso de herramientas de arrays volver a reagruparlos. Como se ve en la Fig. 4 este proceso termina con los arrays Muestras_CHA y Muestras_CHB que serán luego procesados en la etapa tratamiento de señales. 3.- Tratamiento de las señales Fig. 4.- Sub-Vi en LabVIEW para comunicación con el microcontrolador. En este módulo se analizan las señales adquiridas, aplicando las funciones propias del análisis de Fourier ( Spectral Measurements ) y la desarrollada específicamente para el programa (Filtro Impares), que filtra los componentes armónicos impares, obteniendo el espectro de frecuencia y los índices de distorsión (THD i y THD u ). Adicionalmente se muestra la tabla con las amplitudes de los armónicos y sus ángulos de fase, Fig. 5. Los valores eficaces de tensión, corriente, son calculados así como la potencia activa, el factor de desplazamiento y el factor de potencia verdadero. Fig. 6. Fig. 5. Panel frontal con la respuesta de la señal capturada de corriente en una lámpara fluorescente compacta. 4

5 armónico resultante dividido por la suma de los componentes individuales se obtiene el factor diversidad [7]. W Fig. 6. Lecturas correspondientes a la captura de señales de tensión y corriente, con una carga compuesta por PC y monitor. 4.- Análisis de la diversidad Una vez capturada y procesada la señal se realiza el modelado de las cargas, guardadas en la biblioteca del programa como módulos sub-vi. A partir del análisis de Fourier, con la obtención de las amplitudes y ángulos de fases, es posible modelar en el diagrama de bloques con fuentes de corrientes, las distintas cargas no lineales ensayadas. Fig. 7. Carga Fig. 7. Lógica del modelado de cargas no lineales: captura, análisis y grabación para el modelo de una lámpara fluorescente compacta de bajo consumo (LFC). Luego estos módulos representativos de cargas no lineales vuelven a reutilizarse para evaluar el efecto diversidad. A través de menús personalizados pueden seleccionarse las cargas no lineales y posteriormente su cantidad para analizar el efecto resultante en la distorsión de corriente. Fig. 8. Fig. 9.- Resultado de los índices F d para la combinación de una PC y una LFC. 6.- Impacto en la corriente de neutro Una vez fijado el tipo y cantidad, se puede proyectar el valor máximo de la corriente de neutro, cuando las cargas son conectadas en una red trifásica con onda sinusoidal pura, teniendo presente las mismas consideraciones de la aplicación anterior en cuanto a despreciar el efecto diversidad en la conexión de cargas idénticas. La lógica de este módulo, actúa de la siguiente manera: las cargas no lineales modeladas en sub-vi, suman sus señales en función de la cantidad de unidades a conectar en paralelo (Fig. 10). A la señal resultante se le aplican las funciones Spectral Measurements, luego las desarrolladas, la primera denominada Filtro Impares (Fig. 11) y finalmente el sub-vi I neutro, (Fig. 12) que filtra y almacena en un array los componentes impares múltiplos de tres para finalmente calcular la corriente de neutro de acuerdo a la expresión: 2 I = ( 3 n I6 + 3) i (4) Los resultados de las corrientes de líneas y neutro para una instalación de 30 PCs por fase se muestran en un panel frontal, Fig. 13. Fig. 8- Cálculo de la distorsión resultante de la combinación entre 5 LFC y una PC. A partir de la corriente resultante de la combinación de cargas, se vuelve a aplicar las funciones de Fourier y Filtro Impares, para obtener las amplitudes de los componentes armónicos (Columna 3, Fig. 9). Luego aplicando la relación entre el componente Fig. 10. Combinación de modelos de cargas PC-Monitor y LFC, con cálculo de la corriente de neutro. 5

6 diversidad, distorsión de tensión y la proyección del valor de la corriente de neutro en sistemas trifásicos equilibrados con cargas no sinusoidales. Si bien la aplicación aún está en la primera fase de desarrollo, resulta una alternativa válida para cubrir las necesidades de los distintos laboratorios propios de la universidad, atendiendo aquellos reclamos en lugares con dispositivos altamente sensibles a la forma de onda de la tensión. Fig. 11. Diagrama de bloques del Sub-VI Filtro Impares VI. REFERENCIAS [1] Alfonso, J. L., Batista J., Sepúlveda M. J. y J. Martins, Sistema Digital de Bajo Coste para la Monitorización de la Calidad de Energía Eléctrica Información Tecnológica, 2007, Vol.18, n.4, pp ISSN [2] IEEE Task Force, Effects of harmonics on equipment, IEEE Trans. Power Delivery, vol. 8, Abril [3] Suárez J.A., di Mauro G., Anaut D. y C. Agüero. Parámetros que Afectan la Corriente de Neutro en Presencia de Armónicos. Información Tecnológica. 2010, vol.21, n.1, pp ISSN Fig. 12. Diagrama de bloques del Sub-VI cálculo de la corriente de neutro ( I neutro ). [4] Cadavid D. y L. Galileo, Armónicos y problemas de Power Qualtiy en el conductor de neutro de sistemas trifásicos. Scientia et Técnica, Vol. 22, pp Octubre [5] Paraiso, D., É. Ngandui, M. de Montigny y P. Siccard; Characterization of neutral and line current harmonics in three-phase computer power Systems, Industrial Electronics Society, Actas del 31º Conferencia Anual de la IEEE- IECON, Raleigh, USA 6 al 10 de noviembre (2005). [6] Chicco G., P. Postolache y C. Toader; Analysis of three-phase systems with neutral under distorted and unbalanced conditions in the symetrical component-based framework, IEEE Transactions On Power Delivery; 22(1), , (2007). Fig. 13. Cálculo de la corriente de neutro en una red trifásica con 30 PCs por fase. V. CONCLUSIONES Este trabajo demuestra una aplicación desarrollada bajo el entorno de la instrumentación virtual de muy bajo costo para evaluar los parámetros básicos de calidad en una red eléctrica, fundamentalmente vinculados al análisis armónico de cargas no lineales, obteniendo espectros de corriente y los índices de distorsión. Los valores obtenidos fueron contrastados con lecturas de aparatos comerciales, obteniendo índices de exactitud más que aceptables. La posibilidad de grabar las muestras de las señales capturadas y posteriormente almacenarlas en una biblioteca de modelos de cargas no lineales, permite evaluar los distintos índices de distorsión en la combinación de cargas, tano por cantidad como por tipo. Otros módulos adicionales permiten evaluar el fenómeno de [7] Mansoor A., Grady W. M., Chowdhury A. H., Samotyj M. An investigation of harmonics attenuation and diversity among distributed single-phase power electronic loads. IEEE Transactions on Power Delivery, Volumen 10, Nº 1, (1995). [8] Suárez, J.A.; di Mauro, G.; Anaut, D.; Agüero, C., "Analysis of the Harmonic Distortion and the Effects of Attenuation and Diversity in Residential Areas," Latin America Transactions, IEEE (Revista IEEE America Latina), vol.3, no.5, pp.53,59, Dec