Investigación y Desarrollo de un Instrumento Virtual para la Medición, Análisis y Monitorización de la Calidad de Energía Eléctrica JHONI ESIM

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1 Investigación y Desarrollo de un Instrumento Virtual para la Medición, Análisis y Monitorización de la Calidad de Energía Eléctrica JHONI ESIM 25 de septiembre de 2013 Prof. Iñigo J. Oleagordia Aguirre Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados

2 Índice 1. Currículum Vitae 2. Introducción. 3. Normativa Descripción del hardware 5. Desarrollo del Software 6. Resultados Experimentales. 7. Conclusiones.. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 2

3 1. Currículum Vitae 1. Formación - Licenciado en Informática Aplicada en el Instituto Superior de Informática, Programación y Análitica (R.D. Congo). Automatización y seguridad del sistema de gestión de datos caso del GIGA BYTE (R.D. C), Conferencias - Métodos de enseñanza tradicionales y pragmático: la computadora una herramienta de Participación para los alumnos. Organizada por LIVING VALUES ONG Británica (Bujumbura, Burundi enero 2006) - Informática y la enseñanza primaria y secundaria: Organizada por Voir Plus Loin una ONG Suiza (Uagadugu, Burkina faso marso de 2007) 2. Sesiones ONG Caentic ( ) - Sesiones de formación para profesores de primaria y secundario. El método de introducir la informática en su curso - Sesiones de formación para estudiantes de informática de varias escuelas superiores. Técnico de montaje, desmontaje y reparar una computadora Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 3

4 1. Currículum Vitae 3. Publicaciones derivadas de este trabajo. - Jhoni Esim, Iñigo J. Oleagordia Aguirre, Sergio Loureiro Sánchez Research and development of a virtual instrument for measurement, analysis and monitoring of the Power Quality, ICREPQ 2013, International Conference on Renewable Energy and Power Quality Journal, RE&PQJ-11 ISSN X, No.11, March 2013, Ref. 221, Bilbao. - Jhoni Esim, Iñigo J. Oleagordia Aguirre, S. Loureiro Sánchez, Investigación y Desarrollo de un Instrumento Virtual para la Medición, Análisis y Monitorización de la Calidad de Energía Eléctrica., SAAEI'13, XX Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e Instrumentación 2013, ISBN: , Julio 2013, Ref. REN22, Madrid. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 4

5 Capítulo 2. Introducción Debido al uso intensivo de los convertidores de potencia y otras cargas no lineales en la industria y por los consumidores se puede observar un creciente deterioro tanto de la forma de onda de la tensión de alimentación como de la corriente, la presencia de armónicos en las líneas, los problemas de interferencia en sistemas de comunicación y, a veces, fallos de funcionamiento en los equipos electrónicos. Con armónicos Tetraedro de potencia Sin armónicos Triangulo de potencia Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 5

6 Capítulo 2. Introducción La circulación de corrientes armónicas generadas por cargas lineales a través de las impedancias internas de la red genera una distorsión en la onda de tensión. Relación de corriente y tensión armónicas Una instalación eléctrica con distinta cargas donde de ve donde genera los armónicos Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 6

7 Capítulo 2. Introducción Por estos razones y otros, el análisis de la calidad de la energía eléctrica suministrada a los consumidores es, hoy en día, un aspecto funcional de gran interés. Las normas sobre la calidad de la energía eléctrica EN y el estándar IEEE , entre otros, imponen que los equipos e instalaciones eléctricas no deben generar armónicos superiores a ciertos valores especificados, así como también especifican los límites de distorsión de la corriente y tensión de alimentación Estas normativas son las bases de esta trabajo. La energía eléctrica es un producto y, como cualquier otro producto, debe satisfacer unos requisitos de calidad adecuados Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 7

8 Capítulo 3. Normativa A. Norma EN En la Norma EN (en España UNE-EN 50160) se definen varios parámetros asociados a la tensión. Los más representativos están relacionados con las componentes armónicas de la tensiones. 40 A modo de ejemplo la tasa de distorsión ( ) 2 U h armónica total THD U : h 2 B. IEEE Standard THD u = = U1 (1) La IEEE Standard es la normativa sobre la energía eléctrica desarrollada por la sociedad IEEE y en ella se encuentran las definiciones para la medida de las diferentes magnitudes eléctricas bajo condiciones lineales, no lineales, equilibradas y no equilibradas. Los parámetros eléctricos correspondientes a un sistema trifásico se modelan por las siguientes ecuaciones: Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 8

9 Capítulo 3. Normativa B. IEEE Standard Definitions Ve = Voltaje efectivo Ve1= Voltaje efectivo fundamental Ie1= Voltaje efectivo fundamental (2) (3) (5) Ie1= Voltaje efectivo fundamental (6) De 1 = 3V e1 D = 3V ev I eh eh I e1 D e1 : Potencia debida a la distorsión de corriente D ev : Potencia debida a la distorsión armónica de voltaje (7) (8) Para Lograr el objetivo, la instrumento Virtual tiene dos aspectos : Hardware y software Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 9

10 Capítulo 4. Descripción del Hardware Diagrama general del sistema. 3 transformadores de voltaje 3 Sensores de efect Hall LEM LA 55-P/SP1 Alimentación 1 2 Cargas Circuito acondicionador de señales 3 PC Portatil 5 NI USB 6211 O sbrio Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 10

11 Capítulo 4. Descripción del Hardware El sistema de medida y monitorización de la Calidad de la energía eléctrica desarrollada utiliza: Alimentación NI USB 6211 PC Portatil Circuito de acondicionamiento de señales Entorno de Windows Cargas TCP/IP Los componentes del Instrumento Virtual con NI UBS 6211 Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 11

12 Capítulo 4. Descripción del Hardware El sistema de medida y monitorización de la Calidad de la energía eléctrica desarrollada utiliza: Alimentación Target NI sbrio 9631 PC Portatil Circuito de acondicionamiento de señales Entorno de RT de National Instruments Cargas TCP/IP Los componentes del Instrumento Virtual con NI sbrio 9631 Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 12

13 Capítulo 5. Desarrollo del Software LabVIEW LabVIEW es una plataforma y entorno de desarrollo de programación virtual de National Instruments. Módulo: Electrical Power. Instrumento Virtual (VI) Cada VI tiene dos componentes importante: un diagrama de bloques, un panel frontal y un icono. Panel Frontal Diagrama de bloques Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 13

14 Capítulo 5. Desarrollo del Software Diagrama de Bloques Fundamental Vector.VI Calcula el vector fundamental de una señal de voltaje y/o corriente. Root Mean Squared.VI V e = V 2 ab 2 bc + V 9 + V 2 ca Calcula la RMS de un señal de voltaje y/o de corriente. I e = I 2 a + I 2 b 3 + I 2 c Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 14

15 Capítulo 5. Desarrollo del Software Diagrama de Bloques Calculo de Potencia Activa P, Aparente Se y No activa N S = VI N = S 2 P 2 P = V I cosθ Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 15

16 Capítulo 5. Desarrollo del Software Diagrama de bloque para calcular de VeH, THDeV, DeV, IeH, THDeI, DeI. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 16

17 Capítulo 5. Desarrollo del Software VI FPGA VI RT VI Host Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 17

18 Capítulo 5. Desarrollo del Software 1. Mediciones El Panel Frontal general esta dividido en dos secciones 2. Analisis Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 18

19 Capítulo 5. Desarrollo del Software Componentes del panel Frontal Magnitud de voltaje y corriente Diagramas de fasores de voltaje y corriente Selección Tarea Frecuencia Fundamental Grado, seno, coseno voltaje y corriente Diferente voltaje Diferentes tipos de corriente Distorsión de voltaje y corriente Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 19

20 Capítulo 5. Desarrollo del Software Panel Frontal de análisis conforma a la norma IEEE Standard Trifásico. Desequilibrio de cargas Nivel de contaminación de armónicos Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 20

21 Capítulo 5. Desarrollo del Software Panal frontal cuantificación de los armónicos de tensión y corriente. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 21

22 Capítulo 5. Desarrollo del Software Panel Frontal análisis grafica de armónicos en el domino de frecuencia de las señales de voltaje y corriente. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 22

23 Capítulo 5. Desarrollo del Software Panel Frontal análisis frecuencial (FFT) de las señales de voltaje y corriente Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 23

24 Capítulo 6. Resultados Experiméntales El instrumento virtual desarrollado, a través del panel frontal, interfaz gráfica de usuario (GUI), proporciona información textual y gráfica sobre los parámetros de la red eléctrica analizada conforme a la normativa anteriormente especificada. El sistema fue probado y calibrado en el laboratorio proporciona una monitorización continua de un sistema trifásico con las cargas resistivo, inductivo y capacitivo, lineales y no lineales, equilibradas y desequilibradas. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 24

25 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Paneles frontales del ensayo con carga resistiva, inductiva y capacitiva equilibrado. Carga trifásica resistiva lineal equilibrada tensión y la corriente están en fase Carga trifásica inductiva lineal equilibrada. la intensidad retrasada respecto a la tensión la intensidad adelantada respecto a la tensión Carga trifásica capacitiva lineal equilibrada. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 25

26 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Paneles frontales del ensayo con carga resistiva, inductiva y capacitiva equilibrado. Carga trifásica resistiva lineal equilibrada tensión y la corriente están en fase Carga trifásica inductiva lineal equilibrada. la intensidad retrasada respecto a la tensión la intensidad adelantada respecto a la tensión Carga trifásica capacitiva lineal equilibrada. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 26

27 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Paneles frontales del ensayo con carga resistiva, inductiva y capacitiva equilibrado. Carga trifásica resistiva lineal equilibrada tensión y la corriente están en fase Carga trifásica inductiva lineal equilibrada. la intensidad retrasada respecto a la tensión la intensidad adelantada respecto a la tensión Carga trifásica capacitiva lineal equilibrada. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 27

28 Capítulo 6. Resultados Experiméntales carga resistiva, inductiva y capacitiva equilibrado Los valores de potencias Aparente, activas, no Activa y el factor de potencias De la pruebas con 1. Resistiva 2. Inductiva 3. Capacitiva Grafico de valores de factor de potencia de las tres primeras pruebas. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 28

29 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga trifásica resistiva lineal desequilibrada. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 29

30 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga trifásica resistiva lineal desequilibrada. Se observa que la potencia de desequilibrio S1U es casi el doble de la prueba (1) una de la carga resistiva equilibrada. Y también desequilibrio de cargas Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 30

31 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con un transformador trifásico en vacío. Forma de onda de corriente en el caso del ferro-resonancia Ferro-resonancia: es un caso especial de resonancia repentina en la cual la no linearidad esta en la magnetización del núcleo de hierro. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 31

32 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga trifásico inductiva lineal equilibrada con componentes capacitiva 1 2 carga trifásico inductiva carga trifásico inductiva con componentes capacitiva 3 carga trifásico inductiva con componentes capacita Grafica comparativa de corrección del factor de potencia Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 32

33 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga resistiva equilibrada no lineal (rectificada media onda con diodos) Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 33

34 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga resistiva equilibrada no lineal (rectificada media onda con diodos) Cuantificación de los armónicos de tensión y corriente Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 34

35 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con carga resistiva equilibrada no lineal (rectificada media onda con diodos) Conexión carga resistiva Con diodos Cálculo de armónicos fundamentales para las señales de tensión y corriente Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 35

36 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con tensión trifásico no lineal y con carga resistiva no lineal equilibrada Rectificada media onda con diodos. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 36

37 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Ensayo con tensión trifásico no lineal y con carga resistiva no lineal equilibrada Rectificada media onda con diodos. Cuantificación de los armónicos de tensión y corriente Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 37

38 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Grafico comparativa de los datos adquiridos de las pruebas con cargas desequilibradas con las dos tarjetas de adquisición NI USB 6211 y sbrio Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 38

39 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Grafico comparativa de los datos de las pruebas con cargas no lineales con las dos tarjetas de adquisición NI USB 6211 y sbrio Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 39

40 Capítulo 6. Resultados Experiméntales Grafico comparativa de los datos de las pruebas con cargas y voltaje no lineales de las dos tarjetas de adquisición NI USB 6211 y sbrio Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 40

41 Capítulo 7. Conclusiones A. Resumen de los resultados -Se han analizado los requerimientos de las normas UNE-EN y IEEE Std (2010) sobre calidad en las redes eléctricas. - Identificados los parámetros de que cuantifican los indicadores de calidad de una red eléctrica se ha diseñado e implementado tanto desde la perspectiva hardware como software un sistema portátil basado en instrumentación virtual y soportado en un PC portátil para la medición, análisis y monitorización de dichos parámetros. -El entorno LabVIEW con el módulo LabVIEW Electrical Power junto a la metodología de diseño top-down se han mostrado especialmente eficaces a la hora de diseñar, desarrollar, depurar e implementar el instrumento virtual para la medición, análisis y monitorización de la calidad de una red eléctrica. -De las múltiples pruebas experimentales realizadas en el laboratorio de medidas eléctricas de la EUITI de Bilbao se deduce la adecuación del sistema implementado a las especificaciones de diseño. Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 41

42 Presupuesto LabVIEW Completo 3500 Euros NI USB Euros 3 Transformador de voltaje 21 Euros 3 Transformador de Corriente 75 Euros Ordenador Portátil 1000 Euros Otras materiales 150 Euros Mano de obra 2000 Euros Precio venta 7745 Euros Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 42

43 Capítulo 7. Conclusiones B. Implicaciones para el futuro. - Crear un módulo de control, para hacer un diagnostico del comportamiento de la red eléctrica y reaccionar en caso de sobrecarga, sobre tensión, tasa elevada de armónicos, etc. - Implementar el sistema mediante redes inalámbricas. C. Relaciones con las Asignaturas del Máster. - Desarrollo de sistemas de control en entornos de programación de alto nivel - Sistemas de control basados en PC - Entorno de programación de National Instruments - Arquitectura de FPGAs Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 43

44 MUCHAS GRACIAS POR VUESTRA ATENCION Jhoni ESIM Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados 44