Calidad de Suministro Eléctrico

Transcripción

1 Calidad de Suministro Eléctrico E.U.P. Universidad de Sevilla Dpto. de Ingeniería Eléctrica Virgen de áfrica, Sevilla Telf.: ; Fax: Web: Mª Dolores Borrás Talavera borras@us.es

2 Qué es Calidad Eléctrica? Se puede definir como: Cualquier problema eléctrico manifestado en: La Tensión La corriente eléctrica O variaciones en la frecuencia Que originan fallos, cortes o malfuncionamiento en el suministro eléctrico.

3 Qué es Calidad Eléctrica? La calidad eléctrica nos indica el grado con el que una instalación eléctrica soporta la actuación de todas sus cargas de modo eficiente y fiable. La calidad se degrada por las perturbaciones que se generan en la propia instalación o que proceden del exterior.

4 Qué es Calidad Eléctrica? 2/3 de los incidentes se originan en la propia instalación y no depende del suministro eléctrico, se deben a: * Equipos electrónicos o informáticos. * Balastros electrónicos en la iluminación. * Variadores de velocidad de motores. * Cables largos o de reducida sección.

5 CONCEPTOS FUNDAMENTALES Tensión del suministro eléctrico Registros de la tensión Perturbaciones Eléctricas Análisis de perturbaciones Normativa

6 Suministro eléctrico 230 VAC fase-neutro en sistemas de cuatro conductores (3F + N) 230 VAC fase-fase en sistemas de tres conductores 4 conductores (3F + N) L1 3 conductores (3F) L1 N 230 VAC L2 230 VAC L2 L3 400 VAC L3 Tensión fase-neutro Tensión fase-fase

7 Tensión del suministro eléctrico ideal Forma de onda senoidal Tensión u(t) 20msg 325 V u(t) = 325 sen(2 50 t) Amplitud: 325V Valor eficaz: t Parámetros de calidad: Tensión eficaz Forma de onda Frecuencia Simetría en tensiones trifásicas 1 T URMS = u (t)dt 230V T = = 0 2 Periodo: T=20msg Frecuencia: 50Hz

8 Suministro eléctrico PROBLEMÁTICA DEL PASADO Obtener un suministro eléctrico sin interrupciones sin distorsión en la forma de onda de tensión de frecuencia constante equilibrada en sus tres fases (Fuente tipo 1).

9 Fuente de potencia tipo 1

10 Suministro eléctrico PROBLEMÁTICA ACTUAL Soportar un suministro eléctrico con Interrupciones y huecos de tensión Sin armónicos severos Con ligeros desequilibrios Con frecuencia casi constante Insensibles a equipos eléctricos, actualmente más sensibles (Fuente tipo 2).

11 Fuente de potencia tipo 2

12 Medida y registro de la tensión eficaz Medida tradicional: RMS cada 20msg 227V 215V 218V Medida actual: RMS cada 10msg Vac 230V 20 msg 10 msg t

13 Medidor de la Calidad de la Red (MCR)

14 Analizador trifásico de la calidad de onda

15 PERTURBACIONES ELÉCTRICAS Las perturbaciones eléctricas se pueden detectar de varias formas como: Ordenadores que se cuelgan Parpadeo de luces y monitores Sobrecalentamiento de motores Disparo intempestivo de protecciones Elevadas facturas de consumo eléctrico

16 PERTURBACIONES ELÉCTRICAS 1.Transitorios 2.Perturbaciones en la amplitud de la tensión: Variaciones de larga duración Variaciones de corta duración 3.Desequilibrios de tensión 4.Distorsión de la forma de onda 5.Flicker 6.Cambios de frecuencia

17 TRANSITORIOS Comportamiento momentáneo y no deseado de la señal Impulsivo: ( U cresta < 6KV) Oscilatorios: Nanosegundo (<50nsg) Microsegundo (50nsg-1msg) Milisegundo (>1msg) Baja frecuencia (<5Khz,duración msg, 0 a 4 veces U RMS ) Media frecuencia (5-500Khz,duración 20 μsg, 0 a 8 veces U RMS ) Alta frecuencia (0.5-5Mhz,duración 5 μsg, 0 a 4 veces U RMS ) Pueden presentarse también transitorios estacionarios de tipo impulsivo debidos a la conmutación periódica de dispositivos electrónicos de potencia

18 TRANSITORIOS Causas: Conexión y desconexión de grandes cargas Descargas atmosféricas Maniobras de interruptores. Conmutación en electrónica de potencia Efectos: Destrucción de componentes electrónicos de los equipos Bloquear ordenadores Errores en transmisión de datos digitales Dañar aislamiento de motores u otros equipos

19 TRANSITORIOS Transitorios impulsivos Transitorios oscilatorios

20 1. Transitorios Transitorio estacionario impulsivo

21 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN Los parámetros que las caracterizan son amplitud y duración. Se clasifican en: Sobretensión: Aumento en el valor eficaz de la tensión superior al 110% Hueco: Disminución del valor eficaz inferior al 90% hasta el 10% Corte: Valor eficaz cero o inferior al 10%

22 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN Variaciones de larga duración: (Sobretensión, hueco, corte) Desviaciones del valor eficaz superior al minuto Variaciones de corta duración: (Sobretensión, microhueco, microcorte) Desviaciones del valor eficaz inferior al minuto. Se dividen en: Instantáneas (0.5 y 30 ciclos) Momentáneas (30 ciclos y 3 segundos) Temporales (3 sg y 1 min)

23 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN Variaciones de larga duración: Dependen de la red más allá del punto de entrega de la compañía Variaciones de corta duración: Dependen de nuestra instalación, desde el punto de entrega hasta nuestras cargas.

24 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN Huecos: Son los más frecuentes. Causas: Conexión o desconexión de una gran carga Cortocircuito Sobrecarga Efectos: Fluctuaciones en la iluminación Reinicio de ordenadores y equipos electrónicos Paradas intempestivas de variadores de velocidad.

25 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN Microhueco Hueco

26 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN Sobretensiones: Causas: Suelen originarse por un descenso de la carga más allá de nuestra instalación Efectos: Disparo de las protecciones automáticas Daño a los motores Reducción de la vida de las luminarias.

27 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN Sobretensión corta duración Sobretensión larga duración

28 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN microcorte Corte

29 PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓN Tensión RMS en % 110% 100% sobretensión 90% hueco 10% microcortes Interrupciones largas 1 min t

30 DESEQUILIBRIOS DE LA TENSIÓN Se producen cuando el sistema trifásico es asimétrico o está desequilibrado. Un desequilibrio en tensión de más del 2% ocasiona fallos prematuros de motores y otras cargas trifásicas, las cargas más alejadas del cuadro principal sufren mayores desequilibrios

31 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Offset de continua: presencia de componente continua en la señal Distorsión n armónica: Alteración de la forma de onda senoidal de la tensión Causas: Tienen su origen en las cargas de la instalación que consumen corrientes a frecuencias distintas a 50Hz Efectos: Provocan sobrecalentamientos en cables, motores y transformadores Disparo intempestivo de interruptores, reles o fusibles.

32 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Qué son los armónicos? Señales cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de la tensión. Se les designa por su orden. La frecuencia fundamental in Europa es 50 Hz 3 er armónico es 3 x 50Hz or 150Hz 5º armónico es 5 x 50Hz or 250Hz, etc. La distorsión armónica total se expresa mediante la TASA de DISTORSIÓN ARMONICA (THD) THD V = n h= 2 U U 1 2 h

33 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Qué causa los armónicos? Cargas no lineales La corriente no es proporcional a la tensión aplicada

34 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Cargas lineales Resistencias, bobinas y condensadores Qué significa esto? Si una tensión senoidal pura alimenta un corcuito con una R pura, la corriente en el circuito cumple la ley de Ohm. La relación entre V e I es una línea recta. La corriente sera senoidal de la misma frecuencia. Cargas lineales son luces incandescentes, resistencias caloríficas y motores

35 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Cargas no lineales Uso de semiconductores de potencia Qué significa esto? Si una carga es no lineal no se puede prever la relación entre V e I fácilmente a menos que tengamos las curvas características de cada dispositivo usado. En circuitos con muchos componentes semiconductores es prácticamente imposible. Cargas no lineales son interruptores no controlados (rectificadores con diodos) Semicontrolados ( diodos y tiristores) Controlados (Tiristores)

36 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Efecto de los armónicos en la forma de onda Los armónicos se representan como una suma se ondas senoidales puras dónde la frecuencia de cada sinusoide es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la onda distorsionada. La suma de las sinusoides creadas por los armónicos se analizan usando el concepto de las series de Fourier.

37 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Qué efectos ocasionan los armónicos? Los armónicos se transportan por todo el sistema eléctrico desde la fuente origen y pueden duplicar la corriente por el neutro en un sistema de distribución trifásico La corriente distorsionada procedente de las cargas fuente de armónico también distorsiona la tensión a través de la impedancia del sistema La introducción de armónicos afecta a todo el sistema eléctrico y a la calidad de la potencia.

38 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Qué efectos ocasionan los armónicos? Efecto Skin: Los armónicos tienden a conducir a través de una fina corona exterior al conductor reduciendo la sección eficaz del mismo y provocando sobrecalentamiento n 2 veces superior a la reducción de la sección eficaz Sobrecalentamiento de motores: El armónico 7º tiende a hacerlo girar en sentido inverso, pérdida de rendimiento mecánico, sobrecalentamiento del núcleo por las corrientes parásitas. Disparo intempestivo de las protecciones: Las protecciones magnetotérmicas se disparan, magnéticas por un excesivo valor de la I de pico, térmicas por sobrecalentamiento.

39 DISTORSIÓN N DE LA FORMA DE ONDA Interarmónicos Señales que contienen componentes de frecuencia que no son múltiplos de la fundamental. Cortes Perturbación de tensión periódica causada por normalfuncionamiento de los dispositivos electrónicos de potencia cuando la corriente conmuta de una fase a otra. Ruido Se define el ruido, como señales eléctricas no deseadas, con un amplio contenido espectral inferior a 200KHz, superpuestas a la señal capturada en un punto del sistema.

40 FLICKER Impresión de inestabilidad de la sensación visual debida a un estímulo luminoso en el cual la luminosidad o la distribución espectral fluctúan en el tiempo. (EN 50160) Son variaciones sistemáticas de la envolvente de la tensión, o bien, una serie de cambios aleatorios de la tensión. La magnitud de las fluctuaciones de tensión no excede los rangos de tensión comprendidos entre el 90% y el 110%. Según CEI Intensidad de la molestia: P st : Severidad de corta duración (10min) P lt : Severidad de larta duración (2h)

41 FLICKER Se originan en las cargas que funcionan en un régimen cíclico de arranque y parada, aunque no afecte al funcionamiento de los equipos resulta molesto al ojo humano Una fluctuación del 0.5% en la amplitud y una frecuencia de 9Hz en la tensión puede provocar dolor de cabeza.

42 FLICKER Origenes del flicker CARGAS FLUCTUANTES CARGAS INDUSTRIALES: Hornos de arco (cc y ca) Equipos de soldadura CARGAS CONECTADAS EN BAJA TENSIÓN: Grandes fotocopiadoras Motores Equipos de rayos X SISTEMAS EÓLICOS

43 CAMBIOS DE FRECUENCIA Se define como la desviación de la frecuencia fundamental del sistema, de su valor nominal especificado (50Hz). Las causas que originan las variaciones de frecuencia, están relacionadas con la alteración del equilibrio carga-generador. Cuando la carga es superior a la generación, la frecuencia disminuye y en caso contrario aumenta.

44 ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA ORIGEN DE LAS PERTURBACIONES Cargas no lineales: Son aquellas que alimentadas por una tensión senoidal demandan una corriente no senoidal Contienen electrónica en su etapa de entrada Suponen más del 50% de la potencia instalada en las instalaciones modernas. Fuentes no senoidales: La mayoría provienen de fuentes de energía alternativa

45 TIPOS DE PERTURBACIONES Perturbaciones estacionarias Perturbaciones transitorias Distorsión armónica Fallos, transitorios de conmutación

46 Análisis de la calidad de la potencia perturbaciones estacionarias ALEATORIA DISTORSIÓN PERIÓDICA O ARMÓNICOS Análisis de Fourier

47 Análisis de la calidad de la potencia perturbaciones transitorias Formas de ondas distorsionadas componentes de alta frecuencia no necesariamente armónicos sin relación con el fundamental Técnicas de análisis ACTF DWT

48 EJEMPLO: Espectro TF 1 señal con 4 frecuencias: 200, 100, 50 y 25 Hz señal con 4 frecuencias: 25, 50, 100 y 200 Hz

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50 Espectrograma STFT con ventana Hanning ancha

51 Análisis tiempo-frecuencia con la STFT f Δt Δf frecuencia t Tiempo (o área espacial)

52 Análisis tiempo-frecuencia con la WT f Área constante frecuencia t Tiempo (o área espacial)

53 Teoría de wavelets magnitud magnitud magnitud t t t Wavelet de Haar Wavelet Mexican hat Wavelet de Daubechies 4

54 Teoría de wavelets

55 2 0 señal con transitorio y hueco

56 2 señal con transitorio y hueco coeficientes d x 10-3 coeficientes d1 con zoom en eje y

57 2 señal con transitorio y sobretensión DWT, coefficientes discretos nivel Escalas CWT, coefficientes continuos time (or space) b

58 NORMATIVAS Normativa aplicable a la CALIDAD ELÉCTRICA UNE-EN 50160: Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución. CEI : Técnicas de ensayo y de medida. Métodos de medida de la calidad eléctrica

59 Retos en la mejora de la calidad de servicio Interés general Algunas soluciones planificadas (actualmente incorporadas en distintos grados) Mejora de la red * aumento de la potencia de reserva * mejora de conexiones de neutro y de redes de tierra Mejora de la seguridad del sistema * modernas técnicas de análisis on-line * métodos de monitorización y diagnóstico Técnicas de mitigación del efecto de las perturbaciones * sistemas de alimentación ininterrumpida * filtros pasivos y activos * compensadores serie o paralelo * sistemas estáticos de potencia para conmutación rápida entre redes

60 Retos en la mejora de la calidad de servicio Incorporar nuevas técnicas de análisis para perturbaciones no estacionarias al medidor actual Detectar prematuramente fallos en las líneas de transmisión Describir los efectos de las conexiones de fuentes de generación alternativa a la red eléctrica. Alteran la calidad de la señal? Cómo afectan al consumidor? Desarrollar un instrumento que permita: Efectuar medidas en el estado casi-estacionario y en el estado transitorio (perturbación). Medir transitorios cortos y de larga duración, variaciones de amplitud y variaciones de frecuencia. Clasificar, en tiempo real, el tipo de perturbación antes de registrarla.