ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO SEDE LATACUNGA CARRERA DE INGENIERIA DE EJECUCION EN ELECTROMECANICA

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1 ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO SEDE LATACUNGA CARRERA DE INGENIERIA DE EJECUCION EN ELECTROMECANICA ANALISIS DE LOS EFECTOS PRODUCIDOS POR LOS VARIADORES DE FRECUENCIA EN EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y EN EL EQUIPO DE FONDO DEL SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE ELABORADO POR: EDGAR BLADIMIR ALVAREZ CISNEROS

2 ÍNDICE DE CONTENIDOS I.- FUNDAMENTO TEÓRICO Armónicos Qué son los Armónicos? Origen de los armónicos Parámeros de la perurbación de onda Efecos de los armónicos en el Sisema Elécrico. 6 Efecos de los armónicos en Moores y Generadores Efecos de los armónicos en los Cables Efecos de los armónicos en los Variadores de frecuencia Efeco Flicker Facor de Poencia (FP.) Definición de Facor de Poencia Parámeros del facor de poencia Como afecan los armónicos al facor de poencia. 19 II.- CALIDAD DE ENERGÍA EN EL ECUADOR..1.- Regulación del CONELEC No. 004/ Calidad del produco. Laacunga, Abril 006

3 Nivel de Volaje Perurbaciones Efeco Flicker Armónicos Facor de Poencia Norma IEEE Lineamienos para Clienes Individuales Límies de Volaje Mellado Lineamienos para las compañías elécricas Reglameno al rabajar con variadores de frecuencia Disorsión Armónica Toal Disorsión de la corriene Disorsión del volaje de enrada....- Facor de Poencia Efeco flicker. 4 III.- VARIADORES..1.- Inroducción Esrucura de un variador de frecuencia Tipos de variadores Descripción Venajas Funcionamieno. 45

4 .5.- Análisis de Fourier Conversor Conversor esáico de energía a 6 pulsos conrolado Descripción general Análisis general del proceso de conmuación Condiciones Ideales Análisis Maemáico mediane Series de Fourier Señales del conversor uilizando el Sofware MATLAB Efecos de la inducancia de la Fuene (L S) en la 77 Conmuación de corriene Conversor esáico de energía a 1 pulsos conrolado Descripción general Análisis del proceso de conmuación conversor de 1 pulsos Condiciones Ideales Análisis Maemáico mediane Series de Fourier Señales del conversor de 1 pulsos uilizando el 110 sofware MATLAB Efecos de la Inducancia de la Fuene (L S) en la 114 Conmuación de la corriene. IV.- EQUIPOS USADOS PARA MEDIR LA CALIDAD DE LA ENERGIA Analizador de Redes Equipo analizador de redes AR5. 115

5 Caracerísicas Funcionamieno Aplicación Normas uilizadas para la colocación del analizador 15 de redes AR Procedimieno de pruebas de campo uilizando el 16 Analizador de redes AR Toma de daos Enrada al ransformador (400 V.) 10 V.- ANÁLISIS DE RESULTADOS Análisis en la línea de alimenación Disorsión Armónica de volaje Disorsión armónica de corriene Facor de Poencia Análisis general. 149 VI.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. Conclusiones Recomendaciones. 15

6 ÍNDICE DE TABLAS I.- FUNDAMENTO TEÓRICO Valores R AC/R DC de cables a frecuencias Armónicas. 1 II.- CALIDAD DE ENERGÍA EN EL ECUADOR..1.- Tasa de disorsión armónica individual y THD para volaje IEEE Límies en la Disorsión de la Corriene Sisema de bajo Volaje, Clasificación y Límies de Disorsión Límies de disorsión de Volaje, IEEE IEEE Límies de disorsión en Sisemas de bajo Volaje. III.- VARIADORES..1.- Secuencia de volajes, resulado de la suma vecorial de los 57 volajes posiivos y negaivos de fase del secundario del ransformador...- Armónicas de corriene inyecadas por un recificador de 6 70 Pulsos...- Angulo de disparo de los SCR s para diferenes frecuencias 7 de salida..4.- Armónicas de corriene inyecadas por un recificador de Pulsos.

7 ÍNDICE DE FIGURAS I.- FUNDAMENTO TEÓRICO 1.1. Onda Sinusoidal Pura Sisema Sinusoidal Trifásico Onda Sinusoidal a Frecuencia Fundamenal y Armónicos: do, ro, 4o, y 5o Forma de Onda Deformada Densidades de corrienes de un conducor Facor de Poencia de Desplazamieno (DPF = cos ) Corriene oal y sus componenes aciva y reaciva Triángulo de Corrienes Triángulo de poencias Triángulo de poencias en régimen no sinusoidal. 19 II.- CALIDAD DE ENERGÍA EN EL ECUADOR..1. Muesca de Volaje. 0

8 III.- VARIADORES..1. Esquema de un cicloconversor. 7.. Esquema de un variador con inversor ipo fuene de corriene.7.. Corriene de enrada al Variador con inversor ipo fuene de 8 corriene..4. Esquema de un variador con inversor ipo fuene de ensión 8 ensión..5. Corriene de enrada al Variador con inversor ipo fuene de 9 volaje..6. Curva caracerísica para una eapa a frecuencia variable Esrucura general de un VSD Módulo SCR Barra DC Módulo IGBT Secuencia de disparo de los IGBT s Formas de onda de volaje de salida del inversor a) Salida de Tensión del inversor, b) Tensión 5 Fase-Cenro Esrella, Corriene en la Fase A..14. Eapa recificadora de seis pulsos Eapa Conversora VSD Recificador rifásico de onda complea alimenado por 55

9 un ransformador en conexión Yy Senido de roación de fases en el primario V A, V B, V C, y, 56 en el secundario V 1A, V 1B, V 1C de un ransformador rifásico en conexión Yy Diagrama Fasorial para la conexión Yy0 (Dd11) Volaje de enrada al Variador Formas de onda de los SCR s Posiivos y Negaivos a) Volajes de enrada (V in); b) Volaje (V O) y Corriene (I O) 60 de salida del recificador... Corrienes en los SCR s del puene recificador de la 6 figura Formas de onda de las corrienes de enrada al recificador Formas de onda de la corriene en el primario del 66 ransformador producidas por el conversor de 6 pulsos..5. Corriene de Enrada al VSD de 6 Pulsos Relación Vols-Herz Gráfica de la Frecuencia en base al ángulo de disparo 7 de los SCR s..8. Variador con conexión del ransformador de alimenación 74 en Yy Variador con conexión del ransformador de alimenación 75 en Dy Recificador rifásico en puene compleo con Vo = ce y L S 0.77

10 .1. Efecos de la LS 0 en la conducción de corriene a) Corriene coninua en la bobina de la barra DC; b) Corriene disconinua en la bobina de la barra DC... Corrienes del recificador cuando opera en Modo de 84 conducción coninua. a) Corriene recificada; b) Corriene en los SCR s; c) Corriene en las líneas de enrada..4. Circuio equivalene Formas de onda de vi, v1 A, i1 A DPF, THDi y PF función de I d / I CORTOCIRCUITO V O / V do y CF función de I d / I CORTOCIRCUITO Sisema Conversor de 1 Pulsos con conexión en paralelo Esquema Básico de un VSD de 1 Pulsos Senido de roación de los volajes: en el primario V A, V B, V C;91 en el primer secundario V 1A, V 1B, V 1C; y en el segundo secundario V A, V B, V C..41. Diagrama fasorial, conversor de 1 Pulsos a) Secuencia de enrada de volajes en los recificadores 1 y,9 b) Volajes y corrienes de Salida de los recificadores de 6 pulsos..4. Volaje y corriene de salida del recificador de 1 pulsos Corrienes en los SCR s del recificador Corrienes en los SCR s del recificador Corrienes de enrada al recificador Corrienes de enrada al recificador. 97

11 .48. Corrienes de fase en la conexión Dy Corrienes de fase que circulan por los devanados del 99 primario resulado de la Conexión Dy Corrienes de línea en el primario del ransformador que son100 resulado de la conexión Dd Análisis de nodos y corrienes de línea en el primario del 101 ransformador resulado de la conexión Dy Dirección de las corrienes en la conexión D y11d Corriene producidas por el Conversor de 1 Pulsos en el lado10 primario del ransformador de alimenación..54. Corriene de Enrada al VSD de 1 Pulsos Magniud de la corriene de línea en el primario debido a la 10 conexión Esrella Esrella (Triángulo Triángulo)..56. Corriene de línea en el primario del ransformador 104 desfasador resulado de la conexión Triángulo Esrella..57. Gráfica de la Frecuencia en base al ángulo de disparo de 111 los SCR s..58. Formas de onda de corriene de enrada y volaje de salida 11 producidas por el variador de 1 Pulsos.59. a) Superposición de Volaje de salida del Recificador 1 y 114 Recificador. b) Corriene de línea en el primario del ransformador.

12 IV.- EQUIPOS USADOS PARA MEDIR LA CALIDAD DE LA ENERGIA Teclado de membrana, con 9 eclas, para la programación y118 conrol de las disinas opciones del aparao. 4.. Esquema de conexión rifásico. 18 V.- ANÁLISIS DE RESULTADOS Disorsión armónica oal de ensión producida por los variadores Disorsión armónica oal de corriene producida por los 14 variadores.

13 ANEXO A. Aplicación del VSD en ESP. LISTADO DE ANEXOS ANEXO B.1. VSD de 6 pulsos conecado a Transformador en configuración Yy0. ANEXO B.. VSD de 6 pulsos conecado a Transformador en configuración Dd0. ANEXO B.. VSD de 6 pulsos conecado a Transformador en configuración Dy11. ANEXO B.4. VSD de 6 pulsos conecado a Transformador en configuración Yd11. ANEXO B.5. VSD de 1 pulsos conecado a Transformador Desfasador en configuración Dy11d0. ANEXO B.6. VSD de 1 pulsos conecado a Transformador Desfasador en configuración Yd11y0. ANEXO C.1. Tensión media de salida del recificador de 6 pulsos. ANEXO C.. Tensión media de salida del recificador de 1 pulsos.

14 ANEXO D.1. Explicación del Facor de Poencia y de la corriene eficaz para el recificador de 6 pulsos conexión Yy0. ANEXO D.. Corriene eficaz de salida del recificador de 6 pulsos, conexión Yy0. ANEXO D.. Explicación del Facor de Poencia y de la corriene eficaz para el recificador de 6 pulsos conexión Dy11. ANEXO D.4. Explicación de la corriene eficaz y media para el conversor de 1 pulsos. ANEXO E.1. Angulo de disparo de los SCR s en base a la frecuencia de salida, recificador de 6 pulsos. ANEXO E.. Angulo de disparo de los SCR s en base a la frecuencia de salida, recificador de 1 pulsos. ANEXO F. Formas de onda de disparo de los SCR s a diferenes frecuencias de funcionamieno. ANEXO G. Daos.

15 VII.- FUNDAMENTO TEORICO ARMÓNICOS Qué son los Armónicos? El Sisema Elécrico de Poencia suminisra una onda fundamenal de volaje a una frecuencia básica (en algunos países a 50 Hz, para el caso de Ecuador 60 Hz) Figura No. 1.1, la misma que es aprovecada por los diferenes equipos ano elécricos como elecrónicos; la corriene resulane es una perfeca sinusoidal cuando la carga son disposiivos lineales (resisores, inducores y condensadores).

16 Fig. No Onda Sinusoidal Pura. En condiciones ideales, la red rifásica debería comporarse como un conjuno de res fuenes de ensión perfecamene sinusoidales, sin impedancia inerna (por lo ano, sin caídas de ensión), con frecuencia consane (60 Hz) y con equilibrio perfeco de las res fases (10 de desfase enre fase y fase) como se muesra en la Figura 1.. Fig. No. 1.. Sisema Sinusoidal Trifásico.

17 Debido a cargas elécricas y principalmene a disposiivos elecrónicos conecados a la red rifásica, esas formas de ondas sinusoidales son afecadas. Enonces: Las armónicas son las componenes no fundamenales de la frecuencia de una onda de energía elécrica (a una frecuencia fundamenal, 60 Hz en el caso de Ecuador), que se mezclan con ésa para dar una onda deformada, las armónicas ienen frecuencias que son múliplos eneros de la frecuencia fundamenal, como se observa en la figura 1.. La disorsión de la sinusoidal fundamenal, generalmene ocurre en múliplos de la frecuencia fundamenal. Así sobre un sisema de poencia de 60 Hz, la onda armónica iene una frecuencia expresada por: f armónicos = * 60 Hz Donde es el Orden de un armónico. La figura 1. ilusra la onda sinusoidal a frecuencia fundamenal (60 Hz) y su do, ro, 4o, y 5o armónico.

18 Fig. No. 1.. Onda Sinusoidal a Frecuencia Fundamenal (60 Hz) y Armónicos: do (10 Hz); ro (180 Hz); 4o (40 Hz); y 5o (00 Hz) Origen de los armónicos. En la Tesis Deerminación de Señales Armónicas de Corriene y Volaje en la Indusria de David Casi, capíulo, se define lo que son cargas lineales y cargas no lineales. De forma muy resumida y prácica podemos decir que una

19 carga es lineal si al ser alimenada por una ensión sinusoidal responde con una corriene sinusoidal. Las cargas no lineales son las que conecadas a la red de corriene alerna sinusoidal enregan corrienes que no son sinusoidales, aunque por lo general sí son periódicas. Como ejemplos más ípicos de ales cargas podemos ciar: Los converidores esáicos (grupos recificadores, reguladores de velocidad, arrancadores esáicos, ec.) Equipos elecrónicos monofásicos, que inernamene rabajan en corriene coninua, que disponen de un recificador y condensador de filro a la enrada (ordenadores, impresoras, auómaas programables, ec.) Insalaciones de iluminación con lámparas de descarga. Oros. En nuesro caso los armónicos son producidos por disposiivos elecrónicos como: ransisores, irisores, diodos, ec. que son disposiivos que forman pare de los conversores esáicos de energía que se los esudiará en el capíulo Parámeros de la perurbación de onda. En un sisema de poencia ideal, el volaje que abasece a los equipos de los clienes y la corriene de carga resulane son perfecas sinusoidales. En la prácica, las condiciones nunca son ideales, ano así que esas formas de onda se encuenran frecuenemene muy deformadas. Esa diferencia con la onda

20 sinusoidal se expresa comúnmene desde el puno de visa de la disorsión armónica de las formas de onda de volaje y de corriene. La figura 1.4 muesra como la componene fundamenal combinada con las componenes armónicas de er y 5o orden dan como resulado una onda disorsionada.

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22 Fig. No Forma de Onda Deformada, compuesa por la Superposición de una Fundamenal a 60 Hz y armónicos de Tercer y Quino Orden. Los parámeros para esablecer los límies de la perurbación de la onda por armónicos son: Orden de un armónico (). Es la relación enre la frecuencia del armónico y la frecuencia fundamenal, esá relación es omada de la ecuación 1.1. f f 1 frecuencia del armónico frecuencia fundamenal Facores de disorsión. El facor de disorsión es una medida del alejamieno de la forma de onda de una función periódica cualquiera con respeco a la forma de onda sinusoidal pura. Ese facor de disorsión, normalmene se expresa en porcenaje. Tasa de disorsión armónica individual. Es la relación enre el valor eficaz de la ensión o corriene armónica (V ó I ) y el valor eficaz de la correspondiene componene fundamenal.

23 % V V V 1 *100 Donde: V = Volaje armónico. V 1 = Volaje fundamenal. % I I I 1 *100 (Ec. 1.4) Donde: I = Corriene armónica. I 1 = Corriene fundamenal. Disorsión armónica oal (THD). THD Sumadelos cuadradosdelas ampliudesdelas armónic Ampliuddela fundamenal

24 El facor de disorsión armónica oal se usa para caracerizar ano la disorsión en las ondas de volaje como de las ondas de corriene. % THD V V V 1 *100 (Ec. 1.6) Donde: V = Volaje armónico. V 1 = Volaje fundamenal. % THD I I 1 I *100 (Ec. 1.7) Donde: I = Corriene armónica. I 1 = Corriene fundamenal.

25 La disorsión armónica oal (THD) es el facor de disorsión que incluye a odos los armónicos relevanes (ípicamene omado desde el segundo en adelane) Efecos de los armónicos en el Sisema Elécrico. Los principales efecos causados por los armónicos se pueden resumir en res caegorías generales: 1) Efecos sobre el sisema de poencia. ) Efecos sobre la carga del consumidor. ) Efecos sobre circuios de comunicación. En el sisema de poencia, las corrienes armónicas son el problema principal, ocasionando recalenamieno y pérdida de vida úil. Eso refiriéndose a moores o ransformadores. Los armónicos pueden ambién inerferir en la operación de relees y mediciones. Los armónicos pueden ocasionar ambién errores de disparo a los irisores en equipos converidores, inexaciudes en las mediciones, y falsos disparos en los disposiivos de proección. El desempeño de los equipos conecados a la fuene de alimenación, ales como conroladores de velocidad de moores y fuenes de alimenación de compuadoras, pueden ser adversamene afecados

26 por los armónicos. Además, las corrienes armónicas que fluyen sobre las líneas de poencia pueden inducir ruido sobre líneas cercanas de comunicación. A coninuación se ciarán los efecos en moores y generadores, líneas de alimenación, variadores de frecuencia, siendo esos úlimos los disposiivos a los cuales va enfocado el presene ema de esis Efecos de los armónicos en Moores y Generadores. Efecos en la Velocidad. Para la frecuencia fundamenal (f 1), la velocidad sincrónica del campo magnéico giraorio n 1 medida en rpm, es: n 1 10* f P 1 Siendo P el número de polos de la máquina de inducción, por lo general consane. Para cualquier frecuencia armónica f f1, la velocidad del campo magnéico giraorio n en rpm es: 10*. f P n 1

27 Dividiendo la ecuación 1.9 para la ecuación 1.8, se obiene: n.n 1 Lo cual nos demuesra que la velocidad de cualquier campo magnéico giraorio armónico debido a corrienes armónicas producidas por cargas no lineales, es mayor que la velocidad del campo magnéico giraorio producido por las corrienes de frecuencia fundamenal. Por oro lado, el deslizamieno del moor a la frecuencia fundamenal esá dado por: Donde: S 1 n1 n n 1 r S 1 = Deslizamieno del moor a frecuencia fundamenal (f 1). n 1 = Velocidad sincrónica producida por (f 1). n r = Velocidad a la que gira el roor. De la ecuación No. 1.11, la velocidad del roor puede expresarse como:

28 n r = n 1(1 S 1) El deslizamieno para las armónicas de secuencia (*) posiiva esá dado por: Donde: S n n n r S = Deslizamieno del moor producido por las armónicas. n = Velocidad del campo magnéico producida por los armónicos. n r = Velocidad a la que gira el roor Haciendo uso de las ecuaciones 1.10 y 1.1, 1 S S 1 De modo similar, el deslizamieno para armónicas de secuencia negaiva es: 1 S S 1

29 Ya que S 1 en la región normal de operación del moor es pequeño comparado con ± 1, puede asumirse que: Para armónicas de secuencia posiiva: 1 S (*) La Secuencia de Fase se refiere al senido de roación de los fasores. Cuando = 7, 1, 19, ec., de las res fases y de la misma secuencia forman un grupo de vecores balanceados de secuencia ABC o posiiva, su suma vecorial e insanánea serán igual a cero respecivamene. Para armónicas de secuencia negaiva: 1 S De acuerdo con las ecuaciones 1.16 y 1.17, para armónicas de secuencia posiiva y para armónicas de secuencia negaiva respecivamene, para odas las armónicas después de la 5ª, el deslizamieno, S, esá cercano a la unidad cuando el moor gira en su región normal de operación cerca de la velocidad síncrona a la frecuencia fundamenal.

30 Pares armónicos. Juno con el par elecromagnéico fundamenal, sobre el roor de la máquina de inducción acúan pares armónicos elecromagnéicos debidos a las armónicas. Las corrienes armónicas de secuencia posiiva ABC ( = 7, 1, 19, 5, ec.) producen campos armónicos que giran en el senido de roación del moor, de modo que producen pares armónicos que ayudan al movimieno del moor; mienras que las corrienes armónicas de secuencia negaiva CBA ( = 5, 11, 17,, ec.) producen campos magnéicos que giran en senido conrario a la roación del moor, produciendo pares armónicos que se oponen al movimieno del moor. Ésos úlimos son pares de frenado. Como resulado de la combinación de los pares armónicos y el par debido a la componene fundamenal, el par neo que acúa sobre el eje del moor será: Donde: T = T 1 T 5 + T 7 T 11 + T 1 T = Par elecromagnéico fundamenal. T 1, T 5, T 7, T 11, T 1. = Par elecromagnéico armónico (T ).

31 La velocidad a la que gira el roor, en el régimen normal de operación del moor, esá deerminada por el campo magnéico fundamenal T 1 que es de valor superior a los pares correspondienes a campos giraorios armónicos. Perdidas debido a armónicos. El mayor efeco de los armónicos de ensión y corriene en una máquina de inducción es el incremeno del calor en el bobinado del esaor produciéndose pérdidas en el cobre a causa de las frecuencias armónicas. La canidad de calenamieno que puede olerar el roor, así como la canidad que se incurre en un caso dado, depende del ipo de roor involucrado. Así pues, para los moores de roor devanado o bobinado, el efeco es mayor que el producido en los moores con roor jaula de ardilla y a su vez los moores de jaula de ardilla de barra profunda son más afecados que los ordinarios Efecos de los armónicos en los Cables. Consideración 1.- Al circular corriene direca a ravés de un conducor se produce calenamieno como resulado de las pérdidas por efeco Joule (I R DC), donde R DC es la resisencia a corriene direca del cable y la corriene esa dada por el produco de la Densidad de corriene elécrica muliplicada por el área ransversal del cable I J * A. A medida que aumena la frecuencia de la corriene que ranspora el cable (maneniendo su valor rms igual al valor de corriene direca) disminuye el área efeciva por donde ésa circula pueso que

32 la densidad de corriene crece en la periferia exerior (Figura 1.5), lo cual se refleja como un aumeno en la resisencia efeciva del conducor. (a) Corriene direca (b) Corriene alerna de ala frecuencia Densidad mínima Densidad máxima Fig. No Densidades de corrienes de un mismo conducor, (a) a corriene direca y (b) a corriene a ala frecuencia Por lo ano, la resisencia a corriene alerna de un conducor es mayor que su valor a corriene direca y aumena con la frecuencia, por ende ambién aumenan las pérdidas por calenamieno. Consideración.- El flujo no sinusoidal de corriene por encima del valor rms de la forma de onda causa calenamieno adicional en un conducor. Eso es debido a dos fenómenos conocidos como "el efeco de la frecuencia Skin o efeco superficial y efeco de inducción por proximidad. El efeco de la frecuencia Skin o superficial, se produce por exisir frecuencias adicionales generadas por la disorsión de onda, esas corrienes al ser de mayor frecuencia que la fundamenal (60 Hz), fluirán mayoriariamene cerca de la superficie exerna del conducor, incremenando las pérdidas por efeco Joule

33 (calenamieno); pues la resisencia del conducor a corriene alerna varía con la frecuencia armónica resulando una resisencia mayor al paso de una corriene elécrica. Ese efeco es mayor debido a la frecuencia y al diámero del conducor. El efeco de proximidad es debido al campo magnéico de los conducores produciendo la disorsión de la disribución de corriene elécrica en los conducores adyacenes, lo que ocasiona una concenración de corriene en las pares de la barra más cercanas una de la ora, lo que aumena de esa forma su resisencia efeciva. En la abla 1.1 (1) se muesran los daos que relacionan la resisencia R AC con respeco a la resisencia R DC del conducor, para diferenes valores de armónicas. Esos daos permien relacionar el efeco Skin y el efeco de proximidad. Así por ejemplo: Para un conducor de calibre 1/0 AWG la relación R AC/ R DC es 1.00 para la frecuencia fundamenal, mienras que la relación R AC/ R DC es 1.09 para una frecuencia armónica de 5o orden, eso indica que si el conducor 1/0 AWG iene un valor de R DC igual a 10 omios, su valor de R AC es 10.9 R AC Es decir:

34 (1) IEEE, Recommended Pracices and Requiremens for Harmonic Conrol in Elecrical Power Sysems ; IEEE STD Tabla No Valores R AC/R DC de cables a frecuencias Armónicas. Calibre del R AC/R DC Conducor Fundamenal = 5 = 7 = 11 = 1 1/0 AWG /0 AWG /0 AWG /0 AWG MCM MCM MCM MCM Esos valores esán basados de la siguiene disribución armónica de corriene Armónicas I (p.u.) Por lo ano el efeco Skin y efeco de proximidad varían en función de la frecuencia, del calibre del conducor y de la disancia enre conducores; como resulado de esos dos efecos, la resisencia, R AC, se eleva por encima de la resisencia R DC, especialmene en conducores de gran longiud Efecos de los armónicos en los Variadores de frecuencia. Los disposiivos esáicos de energía son cargas no lineales por lo ano la forma de onda de corriene es una sinusoidal disorsionada; debido a la impedancia inerna del variador la forma de onda de alimenación resula disorsionada.

35 En algunas siuaciones, los conversores pueden auo generar armónicos afecándose ellos mismos o generar armónicos a ora fuene debido a que los conversores se encuenran conecados en paralelo con el suminisro de AC Los conversores exisen en varios diseños y para disinas funciones. Algunas de esas formas son insensibles para armónicos. Cuando se uiliza un puene recificador de diodos, ése recificador normalmene no es afecado, sin embargo si diodos comparen la misma línea de alimenación (por ejemplo: diodos en serie con un filro de alo volaje), esos condensadores pueden sujearse a ensiones superiores a las del diseño debido a las corrienes armónicas exisenes en el sisema. Esos armónicos pueden pasar a la carga del recificador pudiendo dañar o perurbar el lado DC del equipo. Tano en recificadores conrolados (uilizan SCR s) y no conrolados (mediane diodos), como ambién en inversores se dan ese ipo de anomalías. Los inversores ienen normalmene redes Snubbers, filros de Inerferencia elecromagnéica (EMI) y filros de fuene de poder que esán sujeas a ensiones érmicas por corrienes armónicas. La mayoría de conversores cuena con varias caracerísicas de fuene de volaje AC (por ejemplo, cruce por cero cronomerada) para su conrol. Si la fuene de enrada de AC es severamene disorsionada por los armónicos, los

36 conversores pueden fallar, fallan al conmuar, o pueden generar armónicos disinos a los conocidos, ésos llamados ambién como armónicos no caracerísicos (*). Durane el funcionamieno normal de esos equipos, aparecen armónicos de volaje y/o corriene en las redes, ésos se deerminan mediane la ecuación k p 1 Donde: : es el orden armónico. k: es cualquier número enero 1. p: es el número de pulsos del conversor (en nuesro caso de 6 y 1 pulsos). Para un conversor de 6 pulsos, el 5o armónico es el más alo, mienras que para un conversor de 1 pulsos, el 11vo es el armónico más alo. (*)

37 (*) Glosario de érminos (*) Curso de Variadores GCS Cenrilif; Quio, Diciembre del 00. Debido a la disorsión de la forma de onda, los problemas que se pueden mencionar en los componenes de un Variador de Frecuencia son los siguienes: Desrucción de condensadores por sobreensión. Incendio de reacores por sobrecorriene. Falla de inerrupores por variación de corriene en el iempo (di/d). Desrucción de cables. Inerferencias en los sisemas de comunicación. La magniud de los cosos por la operación de esos ipos de equipos elecrónicos con ensiones y corrienes disorsionadas, puede percibirse considerando lo siguiene: Una elevación de sólo 10 ºC de la emperaura máxima del aislamieno de un conducor reduce a la miad su vida úil.

38 Un aumeno del 10% de la ensión máxima del dielécrico de un condensador reduce a la miad su vida úil Efeco Flicker. El Efeco Flicker es una variación rápida de la ensión, que perurba a las personas someidas a iluminación elécrica. Dependen fundamenalmene de la ampliud, frecuencia y duración de las flucuaciones de ensión. Esas perurbaciones abarcan un rango caracerísico de 0.5 a 0 Hz, esas flucuaciones de ensión no suelen ener una ampliud superior al 10%. Es decir, el efeco flicker son señales elécricas inferiores a la fundamenal y su nombre se refiere al parpadeo. Para efecos de la evaluación de la calidad, se considera el Índice de Severidad de Flicker de Cora Duración (P s), en inervalos de medición de 10 minuos, el valor de P s se expresa en valores en p.u., definido de acuerdo a las normas IEC; el mismo que es deerminado mediane la siguiene expresión: P s Donde: 0.014P P P P 0.8P P s: Índice de severidad de flicker de cora duración. () P 0.1, P 1, P, P 10, P 50: Niveles de efeco flicker que sobrepasan durane 0.1%, 1%, %, 10%, 50% del iempo oal del período de observación.

39 El aparecimieno de cargas flucuanes de diferenes ipos a provocado que se inroduzca el efeco flicker a las señales de alimenación. Denro de las cargas generadoras del Efeco Flicker enemos: cargas resisivas, inducivas, capaciivas y cieras cargas que son una combinación de las ya mencionadas. Cuando una carga considerable es conecada a ciera disancia, cuya caída de ensión es relaivamene ala, se produce con facilidad el Efeco Flicker. El arranque de grandes moores ambién es una de las fuenes generadoras más comunes del efeco flicker de volaje. Por ser el efeco flicker una consecuencia de las flucuaciones de ensión, se manifiesa básicamene en forma de flucuaciones de inensidad luminosa o parpadeo de luminosidad. El efeco flicker alera el funcionamieno de los equipos de poencia y conrol, y, a los equipos de usuarios en general.

40 ( ) CONELEC, REGULACION No. 004/ Facor de Poencia (FP) Definición de Facor de Poencia. El facor de poencia (FP) de cualquier insalación elécrica es: la relación enre la poencia aciva medida en kilovaios (KW) para la poencia aparene medida en kilo volio-amperios (KVA), ecuación 1.0. FP P S KW KVA En régimen sinusoidal (considerando solo las componenes fundamenales), sin armónicos, el facor de poencia coincide con el coseno del ángulo de desfase enre ensión y corriene, conocido ese desfase como Facor de Poencia de Desplazamieno (DPF = cos ).

41 Fig. No Facor de Poencia de Desplazamieno (DPF = cos ) Parámeros del facor de poencia. Análisis de la corriene aciva y reaciva La corriene en un circuio lineal alimenado por una ensión alerna sinusoidal, es una corriene ambién sinusoidal, de igual frecuencia que la ensión y con un ciero ángulo de reraso o adelano con respeco a dica ensión (Facor de Poencia de Desplazamieno), dependiendo que predominen las cargas de ipo inducivo o capaciivo.

42 R L R C Ia V Ir Ir I Ia V a) Circuio inducivo b) Circuio capaciivo Fig. No Corriene oal y sus componenes aciva y reaciva. En la figura 1.7, se represenan los diagramas vecoriales de ensión y corriene, omando como origen de fases la ensión, para los casos: a) Con carga induciva (R-L). b) Carga capaciiva (R-C). En cualquiera de los casos el vecor corriene puede descomponerse en dos componenes:

43 1. Corriene aciva, I a en fase con la ensión.. Corriene reaciva, I r desfasada 90 con respeco a la ensión. Enonces: el desfase es negaivo (reraso) para cargas inducivas y posiivo (adelano) para cargas capaciivas. Las relaciones enre la corriene oal I, llamada corriene aparene y sus componenes son las que se derivan del riángulo de corrienes. I I r = I.sen I a = I.cos Fig. No Triángulo de Corrienes. I a I *cos (Componene ACTIVA) I r I * sen (Componene REACTIVA)

44 I I a ji r forma vecorial) I módulo) I a I r (Componene APARENTE, (Corriene APARENTE, Triángulo de Poencias Uilizando la descomposición de corriene previamene esudiada, podemos decir que la poencia aciva (P) es precisamene la que se produce como consecuencia de la corriene aciva (I*cos, en fase con la ensión). Por ano la poencia aparene (S) se puede descomponer en dos componenes, al igual que se izo para la corriene, y consruir un riángulo de poencias, separando las poencias producidas por la componene aciva (P) y la reaciva (Q), como se indica en la figura 1.9. Las relaciones que se desprenden de dico riángulo las enumeramos desde la ecuación 1.1 a la ecuación 1..

45 P = (Ec. 1.1) S = V.I Q = V.I r S*cos = V*I a KW P = V.I a (Ec. 1.) Triángulo de poencias Q = S*sen = (Ec. 1.) V*I r KVAR S = V*I P

46 KVA Fig. No Triángulo de poencias. Donde: P: Poencia Aciva. Q: Poencia Reaciva. S: Poencia Aparene. La poencia aciva es la única componene que produce rabajo úil, mienras que la poencia reaciva se uiliza sólo en la creación de campos elécricos y magnéicos imprescindibles para el funcionamieno de diversos recepores indusriales como: moores, ransformadores y oros. Eso exige que aya una deerminada poencia reaciva, que abrá que ransporar y que conribuirá, por ano, a empeorar el facor de poencia. La poencia reaciva iene disino signo según la corriene vaya rerasada o adelanada con respeco a la ensión. Para cargas inducivas (moores, ransformadores, ec.), sen es negaivo, lo cual se suele inerprear como un consumo de poencia reaciva. Para cargas capaciivas en cambio, sen es posiivo, lo cual se emplea para compensar la poencia reaciva consumida por diversos recepores indusriales.

47 1...- Como afecan los armónicos al facor de poencia. Triángulo de poencia y facor de poencia en redes con armónicos En el párrafo anerior se vio la represenación gráfica de las poencias aparene, aciva y reaciva mediane un riángulo de poencias. De forma análoga, las poencias en sisemas con armónicos pueden represenarse gráficamene mediane varios riángulos relacionados por las ecuaciones (1.4) a (1.7). La represenación gráfica conjuna de odos ellos da lugar a un eraedro de poencias que se a represenado en la figura Y Z S S 1 Q D P P 1 Q 1 X

48 Fig. No Triángulo de poencias en régimen no sinusoidal. Donde: D: Poencia de Disorsión. De la figura 1.10 se disingue cuaro riángulos: El de poencias fundamenales, P 1, Q 1, S 1. S 1 P1 Q1 El de poencias flucuanes, Q 1, D, Q Q Q 1 D El de poencias oales, S, P, Q. S P Q El de poencias aparenes, S, S 1, D. S S 1 D

49 En circuios con armónicos se seguirá llamando facor de poencia (FP) a la relación enre la poencia aciva (P) y la poencia aparene oal (S). Obsérvese que cuando exisen corrienes armónicas el FP ya no coincide con el coseno del ángulo que forman las componenes fundamenales. Las relaciones en ese caso son las siguienes: FP P S P P Q 1 D cos cos P S 1 P P Q 1 Al comparar las ecuaciones (1.8) y (1.9) se observa que el facor de poencia oal es siempre menor que el cos o facor de poencia de la componene fundamenal. El significado de eso es que para ransmiir la misma poencia aciva en vaios, en un circuio con armónicos, necesiamos dimensionar la insalación para una poencia aparene (en KVA) mayor.

50 VIII.- CALIDAD DE ENERGIA EN EL ECUADOR. En el presene capíulo se deallarán las normas con respeco a armónicos y efeco flicker que an sido agrupadas por la Regulación del CONELEC No. 004/01 del Reglameno de Suminisro de Servicio Elécrico en el Ecuador y la IEEE en la norma ; que en conjuno son adopadas por empresas de suminisro elécrico y son necesarias ciarlas para el presene esudio..4.- Regulación del CONELEC No. 004/01. El Consejo Nacional de Elecricidad considerando que es necesario asegurar un nivel saisfacorio de la presación de los servicios elécricos a los consumidores conveniene dicar las Regulaciones sobre la Calidad del Servicio Elécrico, cuyos aspecos relacionados con el presene ema de esis son: Calidad del produco. Los aspecos de calidad del produco écnico que se conrolan son el nivel de volaje, las perurbaciones y el facor de poencia, siendo el Disribuidor responsable de efecuar las mediciones correspondienes, el procesamieno de los daos levanados, la deerminación de las compensaciones que pudieran corresponder a los consumidores afecados y su pago a los mismos. Toda esá información deberá esar a disposición del CONELEC al momeno que se requiera.

51 Nivel de Volaje. El nivel de volaje se mide mediane el Índice de Calidad: V k (%) V k V n V n *100 Donde: V k: Variación de volaje en el puno de medición, en el inervalo k de 10 minuos. V k: Volaje eficaz (rms) medido en cada inervalo de medición k de 10 minuos. V n: Volaje nominal en el puno de medición. La calidad de volaje se deermina como las variaciones de los valores eficaces (rms) medidos cada 10 minuos, con relación al volaje nominal en los diferenes niveles Perurbaciones. En esa norma de Regulación, se considera el Efeco Flicker, Armónicos y Facor de Poencia cuyo análisis es el objeivo de ese proyeco de grado Efeco Flicker.

52 Para la evaluación del índice de calidad se considera el Índice de Severidad por flicker de Cora Duración (P s), en inervalos de medición de 10 minuos, ese concepo fue ciado en la ecuación 1.19 del capíulo 1 aneriormene revisado. Para las mediciones del efeco Flicker el disribuidor deberá realizar mensualmene lo siguiene: 1. Un regisro en cada uno de los punos de medición, en un número equivalene al 0.15% de los ransformadores de disribución, en los bornes de bajo volaje, no menos de 5.. Para la selección de los punos se consideran los niveles de volaje, el ipo de zona (urbana, rural), y la opología de la red, a fin de que las mediciones sean represenaivas de odo el sisema. Una vez realizada la selección de los punos, la Empresa Disribuidora debe noificar al CONELEC, por lo menos meses anes de efecuar las mediciones.. Simuláneamene con ese regisro se deberá medir la energía enregada a efecos de conocer la que resula suminisrada en malas condiciones de calidad. 4. Para cada mes, el regisro en cada puno de medición se efecuara durane un período no inferior a 7 días coninuos, en inervalos de medición de 10 minuos.

53 Las mediciones se deben realizar con un medidor de efeco Flicker para inervalos de 10 minuos y de acuerdo a los procedimienos especificados en la norma IEC El índice de severidad del Flicker P s en el puno de medición respecivo, no debe superar la unidad. Se considera el límie P s = 1 como el ope de irriabilidad asociado a la flucuación máxima de iluminancia que puede soporar sin molesia el ojo umano. Se considera que el suminisro de elecricidad no cumple con el límie admisible arriba señalado, en cada puno de medición, si las perurbaciones se encuenran fuera del rango de olerancia esablecido en ese numeral, por un iempo superior al 5% del período de medición de 7 días coninuos Armónicos El índice de calidad para los armónicos se deermina mediane la ecuación 1. y 1.6 ciadas en el capíulo 1. Para las mediciones de disorsiones armónicas, el disribuidor deberá realizar mensualmene lo siguiene:. Un regisro en cada uno de los punos de medición, en un número equivalene al 0.15% de los ransformadores de disribución, en los bornes de bajo volaje, no menos de 5.. Para la elección de los punos se consideran los niveles de volaje, el ipo de zona (urbana, rural), y la opología de la red, a fin de que las

54 mediciones sean represenaivas de odo el sisema. Una vez realizada la selección de los punos, la Empresa Disribuidora debe noificar al CONELEC, por lo menos meses anes de efecuar las mediciones. 4. Simuláneamene con ese regisro se deberá medir la energía enregada a efecos de conocer la que resula suminisrada en malas condiciones de calidad. 5. En cada puno de medición, para cada mes, el regisro se efecuará durane un periodo no inferior a 7 días coninuos, en inervalos de medición de 10 minuos. Con la finalidad de ubicar de una manera más eficiene los medidores de disorsiones armónicas, se efecuarán mediciones de monioreo de armónicas, de manera simulánea con las mediciones de volaje indicadas aneriormene; por lo que los medidores de volaje deberán esar equipados para realizar ales mediciones de monioreo. Los valores eficaces de los volajes armónicos individuales (%V ecuación 1.) y la THD (ecuación 1.6), expresados como porcenaje del volaje nominal del puno de medición respecivo, no deben superar los valores límies (%V y THD) señalados a coninuación. Tabla No..1.- Tasa de disorsión armónica individual y THD para volaje. ORDEN () DE LA ARMONICA Y THD TOLERANCIA V o THD (% respeco al volaje nominal del puno de medición)

55 V > 40KV (oros punos) V 40KV (punos de medición) Impares no múliplos de > *5/ *5/ Impares múliplos de > Pares > THD Facor de Poencia. Para efecos de la evaluación de la calidad, en cuano al facor de poencia, si en el 5% o más del período evaluado el valor del facor de poencia es inferior a los límies, el Consumidor esá incumpliendo con el índice de calidad. El límie

56 mínimo que debe cumplir el Consumidor para el Facor de Poencia será de 0.9. Para las mediciones, el Disribuidor efecuará regisros del facor de poencia cada mes, en el % del número de Consumidores servidos en Alo y Medio Volaje. Las mediciones se arán mediane regisros en períodos de 10 minuos, con régimen de funcionamieno y cargas normales, por un iempo no menor a siee (7) días coninuos..5.- Norma IEEE El aumeno del uso de converidores esáicos de energía, ano en equipos de conrol indusrial como en aplicaciones domésicas, combinado con el aumeno del uso de condensadores para el mejoramieno del facor de poencia, an creado problemas generalizados. Debido a lo exenso de esos problemas, a sido necesario desarrollar écnicas y lineamienos para la insalación de equipos y conrol de armónicos. Ese segmeno discue esos lineamienos y su imporancia en el diseño de sisemas. Las normas esadounidenses con respeco a los armónicos an sido agrupadas en la norma , el propósio de la IEEE es de recomendar límies en la disorsión armónica según dos crierios disinos, específicamene: 1. Exise una limiación sobre la canidad de corriene armónica que un consumidor puede inyecar a la red de disribución elécrica.

57 . Se esablece una limiación en el nivel de volaje armónico que una compañía de disribución de elecricidad puede suminisrar al consumidor Lineamienos para Clienes Individuales El límie primario de los clienes individuales es la canidad de corriene armónica que ellos pueden inyecar en la red de disribución. Los límies de corriene se basan en el amaño del consumidor con respeco al sisema de disribución. Para los clienes más grandes se endrá un límie de resricción mayor, porque ellos represenan una gran pare de la carga del sisema. El amaño relaivo de la carga con respeco a la fuene se define como la relación de corocircuio (SCR) (*) en el puno de acoplamieno común (PCC), ése puno es donde el variador se coneca con oras cargas en el sisema de poencia. El amaño del consumidor es definido por la corriene oal de frecuencia fundamenal (I L) demanda por el converidor en el puno de acoplamieno común. El amaño del sisema de abasecimieno es definido por la máxima corriene de corocircuio (I SC) en el puno de acoplamieno común enre el converidor y el sisema de disribución de poencia. Esas dos corrienes definen la SCR : Donde: SCR' Capacidad decorocircuio del Sisema enel PCC Poencia del converidor I I SC L

58 SCR = Relación de corocircuio en el PCC. PCC = Puno de acoplamieno común. I SC = Máxima corriene de corocircuio en el PCC. I L = Máxima corriene de consumo del variador en el PCC. Una relación ala significa que la carga es relaivamene pequeña y que los límies aplicables no serán an esricos como los que corresponden cuando la relación es más baja. Eso se observa en la abla., donde se recomienda los niveles máximos de disorsión armónica en función del valor de la SCR y el orden de la armónica. Todos los valores de disorsión de corriene se dan en base a la máxima corriene de carga (demanda). La disorsión oal esá en érminos de la disorsión oal demanda (TDD) en vez del érmino más común THD. (*) Por facilidad SCR : Relación de Corocircuio La abla. muesra límies de corriene para componenes de armónicas individuales así como ambién disorsión armónica oal. Por ejemplo un consumidor de V, con una relación I SC/I L (SCR ) enre 50 y 100 iene un límie recomendado de 1.0% para TDD, mienras que para

59 componenes armónicas impares individuales del orden menor a 11, el límie es del 10%. Tabla No...- IEEE Límies en la Disorsión de la Corriene Límies de Corriene Armónica para Carga no lineal en el Puno Común de acoplamieno con oras Cargas, para volajes enre Volios. Máxima Disorsión Armónica Impar de la Corriene, en % del Armónico Fundamenal I SC/I L <11 11 <17 17 < <5 5 TDD <0* < < < > Límies de Corriene Armónica para Carga no lineal en el Puno Común de acoplamieno con oras Cargas, para volajes enre Volios. Máxima Disorsión Armónica Impar de la Corriene, en % del Armónico Fundamenal I SC/I L <11 11 <17 17 < <5 5 TDD <0* < < < > Límies de Corriene Armónica para Carga no lineal en el Puno Común de acoplamieno con oras Cargas, para volajes mayores a Volios. Máxima Disorsión Armónica Impar de la Corriene, en % del Armónico Fundamenal

60 I SC/I L <11 11 <17 17 < <5 5 TDD < Los armónicos pares se limian al 5% de los límies de los armónicos impares mosrados aneriormene * Todo equipo de generación se limia a esos valores independienemene del valor de I SC/I L que presene Donde: I SC = Corriene Máxima de corocircuio en el Puno de Acoplamieno Común. I L = Corriene Máxima demanda por el conversor en el Puno de Acoplamieno Común. TDD = Disorsión Toal Demanda en % de la demanda máxima. Es imporane noar que las componenes individuales de las corrienes armónicas no se suman direcamene para que odo el armónico caracerísico no pueda esar a su límie máximo individual sin exceder la TDD. Esa abla se uiliza para condiciones con duración superior a una ora. Para períodos más coros el límie aumena un 50%. La norma ambién fomena el uso de conversores de pulsos múliplos reduciendo los límies de corrienes armónicas. Uilizando adecuada y concienemene esa abla reglamenada, se ayudará a mejorar la calidad del servicio elécrico y las molesias causadas acia los consumidores finales Límies de Volaje Mellado Mucos converidores esáicos producen mellado de la forma de onda de volaje. Los límies de Muescas de volaje indicados en la Tabla No.., se dan

61 según el cliene, la profundidad y área de la muesca, y la THD de volaje en el PCC. Tabla No...- Sisema de bajo Volaje, Clasificación y Límies de Disorsión Aplicación Especial Sisema General Sisemas Especiales Profundidad de la Muesca 10% 0% 50% THD (Volaje) % 5% 10% Área de Muesca* * En vol-microsegundos a valores de V & I Esos límies son recomendados para sisemas de bajo volaje en el que el área de la muesca es fácil de medir mediane el empleo de un osciloscopio. En la figura.1 se indica la relación para obener el Área de la muesca

62 V d A = ()(d) N Fig. No..1. Muesca de Volaje Donde: A N = Área de la Muesca. d = Profundidad de la Muesca Lineamienos para las compañías elécricas. El segundo conjuno de crierios esablecido por la IEEE 519 se refiere a los límies de disorsión de volaje. Esos rigen la canidad de disorsión acepable en el volaje que enrega la compañía de elecricidad en el PCC de un consumidor. Los límies armónicos de volaje recomendados se basan en niveles lo suficienemene pequeños como para garanizar que el equipo de los

63 suscripores operen saisfacoriamene. La abla.4 enumera los límies de disorsión armónica de volaje según la IEEE 519. Tabla No..4.- Límies de disorsión de Volaje, IEEE 519. Volaje de barra en el puno de acoplamieno común Disorsión individual de Volaje (%) Disorsión oal del volaje THD (%) Hasa 69 KV De 69 KV a 17.9 KV Mayor o igual a 18 KV Noa: Los sisemas de alo volaje pueden llegar asa un.0% en THD cuando lo que causa es un alo volaje erminal DC, el cual podría ser aenuado. Esa abla se uiliza para condiciones con duración superior a una ora. Para períodos más coros aumena su límie en un 50%. Es muy común que los alimenadores de las compañías de elecricidad alimenen a más de un consumidor. Los límies de disorsión de volaje mosrados en la abla no deberían excederse mienras odos los consumidores conecados no superen los límies de inyección de corriene. Cualquier consumidor que degrade el volaje en el PCC deberá corregir el problema. Sin embargo, el problema de disorsión de volaje es uno para la comunidad enera

64 de consumidores y la compañía de servicio elécrico. Los consumidores muy grandes pueden buscar un compromiso con la compañía de disribución sobre la solución de un problema específico, y ambos pueden conribuir a su solución..6.- Reglameno al rabajar con variadores de frecuencia Disorsión Armónica Toal () Disorsión de la corriene. Uno de los emas que más se abla en la aplicación de VSD oy en día es la disorsión de la corriene de enrada y el cumplimeno con las especificaciones de armónicas. De esas especificaciones, ninguna se cia más frecuenemene que la IEEE La filosofía esándar que se cio en el numeral. es direca: cada consumidor individual de suminisro elécrico debe conrolar su disorsión de corriene, y la compañía elécrica podrá enonces suminisrar volaje adecuadamene, libre de disorsión a odos sus usuarios. Para lograr ese objeivo, el esándar recomienda niveles de disorsión de corriene para cada usuario en base a la medida relaiva de la carga para la capacidad del sisema. Esos valores de disorsión de corriene se deallan en la abla más ciada del esándar que se muesra a coninuación. Tabla No..5.- IEEE Límies de Disorsión Corriene para Sisemas Generales de Disribución (10 asa 69000V) Máxima Disorsión Armónica de Corriene, en porcenaje de la

65 Corriene Fundamenal I L. I SC/I L <11 11 <17 17 < <5 5 TDD <0* < < < > * Todo equipo de generación se limia a esos valores independienemene del valor de I SC/I L que presene En el lado izquierdo de la abla se dealla la relación enre la corriene de corocircuio en el PCC y la corriene fundamenal de carga máxima del sisema, en el lado dereco se indica los valores acepables de la Disorsión Toal de la Demanda (TDD). () Variable Speed Drives: Definiions, Applicaions & Comparisons Para conversores de pulsos múliplos, los valores de la Tabla.6 son muliplicados por la raíz cuadrada del número de pulso del conversor dividida para seis o (p/6). Los límies de TDD permanecen igual. En el caso de un conversor de doce pulsos, los límies acepables para las corrienes armónicas caracerísicas son elevados a Los límies de TDD permanecen igual Disorsión del volaje de enrada

66 La disorsión del volaje de enrada en aplicaciones de VSD es una función de res facores: los niveles preexisenes de armónicos de volaje, la impedancia del sisema de poencia en el puno de acoplamieno común (PCC), y el perfil de la corriene armónica que esá siendo generada por el conrolador, que se indicaron en el numeral.. En resumen, si la compañía elécrica proporciona inicialmene una fuene de volaje limpio en la enrada y el VSD cumple con los límies de disorsión armónica de volaje designados por la norma IEEE 519 que se muesra en la abla.5, los niveles de disorsión de volaje cumplirán por diseño con el esándar. Tabla No..6.- Límies de disorsión en Sisemas de bajo Volaje. Límies de disorsión Aplicaciones Especiales* Sisemas Generales Sisemas Especiales** THD % 5% 10% * Aplicaciones especiales incluido ospiales y aeropueros. ** Sisemas especiales inclusive para cargas de conversores

67 .6..- Facor de Poencia El valor mínimo de facor de Poencia es de Efeco flicker Tal como se indico en la sección correspondiene al Efeco Flicker (Perurbaciones), para un Índice de Severidad de Cora Duración P s en el puno de medición, ése no debe superar la unidad.

68 IX.- VARIADORES..7.- Inroducción. La operación del Sisema de Bombeo Elecrosumergible necesia un esrico conrol de odos los parámeros que inervienen en esé. Los variadores de frecuencia son los equipos encargados de cumplir con esa area y a la vez ransmien la energía elécrica al equipo de fondo. Debido a las excelenes caracerísicas de funcionamieno que ésos poseen ano en el arranque como en la operación son uilizados en pozos en los cuales es necesario variar la velocidad de roación de los moores permiiendo así cambiar el caudal, la alura de la columna dinámica, o ambas, cumpliendo así con los requerimienos del pozo. El moor de corriene alerna, a pesar de ser un moor robuso, de poco manenimieno e ideal para la mayoría de las aplicaciones indusriales, iene el inconveniene de ser un moor rígido en cuano a su velocidad. La velocidad del moor asincrónico depende de la forma consruciva del moor y de la frecuencia de alimenación. Como la frecuencia de alimenación que enregan las Compañías de elecricidad es consane, la velocidad de los moores asincrónicos es consane, salvo que se varíe el número de polos, el resbalamieno o la frecuencia.

69 El méodo más eficiene de conrolar la velocidad de un moor elécrico es por medio de un variador elecrónico de frecuencia. No se requieren moores especiales. Un VSD ípico converirá los 480 volios a 60 Herz aplicado a la enrada, de 0 a 500 volios con una frecuencia de 5 a 90 Herz en los erminales de salida permiiendo el arranque de moores a frecuencias bajas, consiguiendo disminuir la corriene que es de 7 a 10 veces su valor nominal durane el arranque cuando se usa arrancador direco. Las bombas elecrosumergibles son diseñadas para rabajar a ciero caudal, mediane los variadores conseguimos opimizar la bomba, permiiendo que rabaje más eficienemene en el rango de operación para el que la bomba fue diseñada, consiguiendo así prolongar la vida úil de esá Esrucura de un variador de frecuencia. Los variadores de frecuencia esán compuesos por: Una Eapa Recificadora o recificador. Conviere la ensión alerna en coninua mediane disposiivos elecrónicos que pueden ser diodos, irisores, ec. Eapa inermedia. Es un filro para suavizar la ensión recificada, reduciendo el rizado del volaje proveniene de la eapa recificadora.

70 Inversor. Conviere la ensión coninua proveniene de la eapa inermedia en una fuene de ensión de frecuencia variable mediane la generación de pulsos Tipos de variadores. La forma más sencilla de clasificar a los variadores de frecuencia de acuerdo a su opología es la siguiene: Cicloconversores. Variadores con inversor ipo fuene de corriene. Variadores con inversor ipo fuene de ensión. Cicloconversores En el rango de las alas poencias (varios MW), los accionamienos con moores sincrónicos son los más uilizados. Ese accionamieno se realiza mediane un conversor direco de frecuencia, comúnmene llamado cicloconversor. Los cicloconversores son redes de disposiivos elecrónicos (básicamene irisores) que convieren una poencia de AC de 60 Hz en una poencia de AC de baja frecuencia, sin el empleo del enlace de DC de los variadores con inversores.

71 Fig. No..1. Esquema de un cicloconversor. La ensión de la carga es producida realizando una modulación del ángulo de disparo de los irisores. Además, por su principio de funcionamieno iene la frecuencia de salida basane limiada, la que solamene puede alcanzar una fracción de la frecuencia de enrada. Generalmene, los moores sincrónicos

72 que son alimenados por los cicloconversores iene una frecuencia relaivamene pequeña y variable en un rango de [0-15] Hz. Variador con inversor ipo fuene de corriene Ese ipo de variador, al como se muesra en la Figura No., iene enre las unidades recificadora e inversora un filro inducivo que proporciona un enlace de corriene del puene recificador acia el inversor. Fig. No... Esquema de un variador con inversor ipo fuene de corriene En el Figura No., se observa la forma de onda de la corriene de enrada al variador, la que presena mejor esabilidad y uniformidad que la producida por el variador con inversor ipo fuene de volaje.

73 iin Fig. No... Corriene de enrada al Variador con inversor ipo fuene de corriene. El inversor fuene de corriene, en los úlimos años a enido una creciene uilización. Sin embargo, el más popular es el inversor fuene de ensión. Variador con inversor ipo fuene de ensión. Para producir una ensión variable de ampliud y frecuencia a la salida del variador, se emplea una ensión coninua de ampliud consane a ravés de un filro capaciivo conecado a la enrada del inversor. La elevada velocidad de operación de los semiconducores asegura la formación de una ensión alerna aproximadamene sinusoidal a parir de ésa ensión coninua. El filro capaciivo, al como se muesra en la Figura.4, necesario para el funcionamieno del inversor (requiere ensión consane), implica la inyección de un elevado conenido armónico en la red.

74 Fig. No..4. Esquema de un variador con inversor ipo fuene de ensión. Observando la forma de onda ípica de corriene a la enrada del variador, se aprecia claramene (según la Figura No.5), que ésa no se parece en nada a la onda casi rapezoidal que asume el variador con inversor fuene de corriene cuyas caracerísicas se refieren a las bajas magniudes de las armónicas que aparecen en el lado de la red, donde las armónicas de orden 5o y 7mo corresponden aproximadamene a un 18% y 11% de la fundamenal respecivamene; en cambio, el inversor fuene de ensión debido a la fuere disorsión que sufre la corriene de enrada por el efeco del filro capaciivo, produce armónicas de orden 5o y 7mo de asa un 0% y 15% respecivamene, eso con respeco a la fundamenal en forma aproximada.

75 iin Fig. No..5. Corriene de enrada al Variador con inversor ipo fuene de volaje. La aplicación más imporane del inversor fuene de ensión consise en la alimenación de moores de inducción de velocidad variable. Ese ipo de accionamieno se uiliza para insalaciones fijas o para equipos de racción. En ese ipo de variador de frecuencia se cenralizará nuesro esudio debido a que en los VSD s se uiliza esa opología..8.- Descripción. El Conrolador de Velocidad Variable (VSD) es un moderno conrolador de frecuencia variable de AC. Esa diseñado para odos los requerimienos de insalación, necesiando una fuene de frecuencia variable. Ese opera direcamene con volaje AC rifásico de 80/480 V AC a 50/60 Herz.

76 El uso de la úlima ecnología en microprocesadores permie la fácil configuración, operación y diagnósico. Los microconroladores ambién reducen el número de arjeas requeridas mejorando así la fiabilidad y versailidad del conrolador. La inerfaz de operación gráfica ace fácil la operación y la programación de aplicaciones especiales. Ese variador es programable para mucos ipos de cargas, como: orque variable, orque consane y volaje consane, con un exenso rango de velocidad. Ese conrolador ambién proporciona una inerfaz de elemería de ala velocidad (CITIBUS) que simplifica la expansión del sisema de conrol y la personalización..9.- Venajas. Provee eficiencia al sisema. La Bomba Elecro cenrífuga es ípicamene poco flexible cuando opera a una velocidad fija (con arrancador direco); el equipo esá limiado a una gama fija de caudales de producción y a una alura de columna dinámica generada que es fija para cada caso. El Conrolador de Velocidad Variable (VSD) a ganado rápida acepación como un accesorio del sisema ESP de gran valor para aliviar esas resricciones. La flexibilidad en el bombeo fue el propósio original de la aplicación de los VSDs en los sisemas ESP, pero se an logrado obener mucos oros beneficios. De inerés paricular son aquellos que pueden alargar la vida del

77 equipo sub-superficial: el arranque suave, la velocidad conrolada auomáicamene, la supresión de ransiorios de línea y la eliminación de los esranguladores en superficie (esrangulación de válvulas en superficie). Aislamieno del equipo de fondo de disurbios en la línea. Los disurbios del sisema de alimenación es una de las principales causas del premauro envejecimieno del moor en aplicaciones de frecuencia fija. El VSD aísla la carga de las inerrupciones de enrada y ransiorios causados por descargas elécricas amosféricas; Balancea el volaje de salida para reducir el calenamieno del moor; Ignora la inesabilidad en la frecuencia de los suminisros con generador (acúa como un esabilizador); compensa las caídas de ensión o desconeca la unidad del suminisro; y minimiza la presión elécrica y mecánica durane el arranque. Cuando un Variador es conecado, auomáicamene aísla al equipo de fondo de los disurbios de la línea debido a que en la salida del variador (Inversor) esá acoplado al recificador mediane un filro pasabajos en el bus de DC. Fueres ransiorios de energía abrirían los fusibles o desruirían los disposiivos semiconducores de esado sólido pero nunca saldrían del gabinee del variador. El iempo de reparación del variador es una fracción del coso comparado con la falla final del ESP. Mejora la eficiencia oal del sisema

78 Además, dependiendo de la aplicación, el VSD puede mejorar la eficiencia oal del sisema, reducir el amaño del generador requerido, obviar la necesidad de un esrangulador, reducir el amaño de la unidad sub-superficial y proveer funciones de conrol ineligenes para maximizar la producción. Arranque suave Un moor de frecuencia fija de un amaño paricular iene un orque de salida máximo específico, siempre que se suminisre el volaje de placa a sus erminales. Ese mismo orque se puede lograr a oras velocidades variando el volaje en proporción a la frecuencia, de esa forma la corriene magneizadora y la densidad del flujo magnéico permanecerán consanes, y así el orque disponible será consane (a deslizamieno nominal). Como resulado, la poencia de salida será direcamene proporcional a la velocidad, ya que la poencia se obiene de muliplicar el orque por la velocidad. Se observará que esa re-clasificación de moores aumena la poencia máxima disponible para un amaño paricular de roor. Poencia nueva del moor Nueva 60 frecuencia Hz. Poencia del Idealmene, dos modos son deseables; es preferible un arranque suave en condiciones de fluido limpio. Por ora pare, la presencia de arena o carbonaos requiera de un orque lo más alo posible.

79 El variador puede conrolar los niveles máximos de corriene durane el arranque. La corriene de arranque mínima normalmene se usa como crierio para arrancar un ESP, y la relación siguiene puede usarse para deerminar la corriene requerida para un orque equivalene para oras frecuencias de arranque: T I f Podemos seear el orque de arranque para una frecuencia cualquiera "f", indicado en la siguiene relación: I 60 I f 60 Hz f I f I 60 f 60 Desgase El desgase por abrasión es proporcional a la frecuencia de funcionamieno del equipo ESP es decir a la velocidad de funcionamieno del moor. Si el desgase abrasivo es un problema en un pozo paricular, las velocidades de operación mayores incremenaran el desgase, pero las velocidades de

80 operación más bajas producirán un desgase muco menor. El VSD se puede uilizar en esos casos para operar a velocidades más bajas a expensas del uso de una bomba y/o moor más grande. En las áreas donde los cosos para remover el equipo son muy alos, eso puede dar como resulado una reducción de cosos operaivos oales. Limiación del eje de la Bomba Debido a que la capacidad de poencia del eje es proporcional a la velocidad, mienras que la poencia requerida por la bomba es una función cúbica de la velocidad, para cualquier bomba abrá una velocidad por encima de la cual la capacidad nominal del eje será excedida. Esa capacidad nominal deberá ser revisada para la frecuencia máxima de operación. Debe reconocerse que operar el eje de una bomba a alas frecuencias maximiza su capacidad para enregar poencia y eso puede ser significaivo en las insalaciones donde la resisencia del eje es un facor limiane. Eficiencia del Moor La forma de onda del volaje generado por el VSD es generalmene una onda seudo sinusoidal de seis pulsos. La forma de onda de la corriene se acerca a la forma sinusoidal, pero el conenido de armónicos genera mayores pérdidas en el moor (del orden de 10%). El balance exaco de los volajes en las res, reduce las pérdidas y la mayoría de los fabricanes de equipos ESP esiman que los dos efecos se cancelan.

81 Efecos del Variador sobre la Bomba Cenrífuga Tal como se menciono previamene, el desempeño de la bomba cenrífuga se caraceriza por una curva que relaciona la Alura de la columna dinámica generada vs. Caudal (a una velocidad esándar). Si la velocidad cambia, se genera una nueva curva; una mayor si la velocidad se aumena y una más pequeña si la velocidad decrece. Si se acopla la bomba a un moor de inducción rifásico, y se varía la frecuencia de funcionamieno del moor, su velocidad cambia en proporción direca al cambio de frecuencia. Por lo ano, la velocidad de la bomba y de allí su salida idráulica puede ser conrolada simplemene variando la frecuencia del suminisro de poencia, siempre y cuando los límies de carga del moor y el volaje sean observados adecuadamene. La écnica de combinar las caracerísicas de desempeño de la bomba cenrífuga y del moor de inducción rifásico, nos permie desarrollar una curva de desempeño para cualquier frecuencia denro de los límies úiles (Fig..6). Las siguienes ecuaciones fueron derivadas en base a esas condiciones (Leyes de Afinidad (*) ): Nueva frecuencia Nuevo caudal de flujo. Caudal de flujo 60 Hz 60 Hz

82 Nueva frecuencia Alura nueva. Alura columna 60 Hz 60 Hz Nueva frecuencia Poencia nueva. Poencia 60 Hz 60 Hz

83 ALTURA DE COLUMNA (f) Barriles por Día (4 Galones USA) RPM Variable, Graveda especifica = 1.00 Bomba elecrosumergible de Cenrilif Serie 51 Fig. No..6. Curva caracerísica para una eapa a frecuencia variable.

84 El VSD, uilizado a bajas frecuencias, puede desplazar la curva caudalvelocidad del moor para lograr caudales de flujo más bajos con baja corriene. El VSD ambién puede ser ajusado para enregar un máximo orque con corrienes de arranque bajas, aumenando la frecuencia de operación a un valor más alo. (*) Son las relaciones que permien predecir el rendimieno de una bomba a diferenes frecuencias de funcionamieno del moor. La Bomba, el Moor y el VSD Normalmene la bomba es escogida para enregar una ciera salida idráulica a una velocidad paricular. El amaño del moor puede seleccionarse de manera que su capacidad se ajuse a la bomba cuando opera a la velocidad escogida. Por encima de esa velocidad el moor esará sobrecargado; y, abrá una condición de baja carga a velocidades más lenas debido a la nauraleza cúbica de la carga de la bomba. Eso se refleja en la corriene consumida por el moor. El amperaje de placa del moor solo será consumido a la velocidad nominal Funcionamieno Un VSD de AC es un conversor de AC a AC diseñado para cambiar las magniudes de volaje y de corriene y/o puede alerar la frecuencia. Por ejemplo: un VSD ípico converirá los 480 volios a 60 Herz aplicado a la enrada, de 0 a 500 volios de 5 a 90 Herz en los erminales de salida.

85 Los VSD s ípicos usan dos conversores inernos para lograr su funcionamieno oal: en la enrada recifica y en la salida inviere. Conecado a los dos conversores esa la barra de DC (Figura.7) L Alim. 1 A 1 B 1 C C Moor Recificador Filro Inversor Fig. No..7. Esrucura general de un VSD. RECTIFICADOR DE ENTRADA Inroducción En la enrada del VSD esá el recificador. El recificador conviere volaje bidireccional de AC en volaje DC. En ese puno, el volaje DC odavía varía en el iempo pero la corriene sólo fluirá en una dirección y el volaje nunca cambiará de polaridad. Esas flucuaciones son eliminadas en la barra DC que se discuirá más abajo. En esa sección además de recificarse la poencia rifásica de enrada, se regula el volaje a la barra DC. Ese ipo de conversor comúnmene es conocido

86 como conversor de seis pulsos, conversor conrolado o simplemene conversor a SCR s. Módulo SCR (*) Los Recificadores Conrolados de Silicio (SCR s) empleados en la sección recificadora se encuenran en forma de módulos, el aislamieno enre la base del módulo y los componenes inernos es de 500 VAC. Cada módulo coniene dos SCR s; el ánodo de un SCR esá conecado al cáodo del oro; el puno de inerconexión es el erminal 1 (AK) y es el siio de enrada de la corriene alerna. El cáodo del primer SCR es el erminal (K) y se coneca a la barra posiiva; el ánodo del segundo SCR es el erminal (A) y se coneca al bus negaivo (Figura No..8) 1 K G 7 6 AK K A K1 G1 4 5 MODULO SCR Fig. No..8. Módulo SCR.

87 A los SCR s conecados a la barra posiiva se les denomina posiivos y negaivos a los conecados a la barra negaiva. Los erminales 4, 5, 6 y 7 son para las señales de disparo que provienen de la sección Converer de las arjeas de conrol. (*) Glosario de érminos BARRA DC La barra DC del VSD esá compuesa de disposiivos pasivos no conrolados. Los elemenos ípicos incluyen bobinas y condensadores uilizados para aplanar la ensión de salida del recificador. Fig. No..9. Barra DC. Filro por condensador. A menudo el filrado se efecúa colocando un condensador en paralelo con la carga. El funcionamieno de ese sisema se basa en que el condensador

88 almacena energía durane el periodo de conducción y la cede poseriormene durane el periodo de no conducción de los elemenos recificadores. De esa forma, se prolonga el iempo durane el cual circula corriene por la carga y se disminuye noablemene el rizado. Las venajas de ese ipo de filro son: - Pequeño rizado. - Tensión de salida ala con cargas pequeñas. Y los inconvenienes: - Mala regulación y rizado alo con cargas grandes. - Picos de corriene muy elevados que deben soporar los diodos durane el iempo oal de conducción. - Picos más elevados cuano mayor sea la capacidad del condensador. Filro por bobina El funcionamieno del filro por inducancia se basa en la propiedad fundamenal que iene ese componene de oponerse a cualquier variación de la corriene, de forma que cualquier variación brusca que pudiera aparecer en un circuio sin inducancia se suaviza por el eco de colocar ese elemeno en el circuio. Los dos ipos de filros considerados pueden combinarse en uno solo, dando como resulado el filro LC. Ese filro conjuga el menor rizado conforme aumena la inensidad del filro por bobina con el menor rizado a pequeñas inensidades del filro por condensador, formando un filro amoriguador pasa

89 bajos que se uiliza para aplanar el volaje DC proveniene del recificador. El filro pasa bajos filra señales alas y deja pasar señales de baja ampliud. Por ano: el filro L-C produce una ensión de salida aproximadamene coninua. El condensador maniene la ensión de salida en un nivel consane y la bobina suaviza la corriene del recificador y reduce la corriene pico en los irisores. INVERSOR DE SALIDA En la fase final del VSD esá el inversor. El inversor conviere la ensión proveniene de la barra DC en una fuene de AC de frecuencia variable que alimena al moor de inducción. Se usan diferenes disposiivos semiconducores en el inversor del VSD, desde SCR s, ransisores bipolares de compuera aislada (IGBT s) asa el conmuador de compuera de core rápido (GTO s) Acualmene se emplean módulos IGBT s para generar pulsos conrolados de ensión y conformar un volaje de salida de res fases cuasi sinusoidales.

90 E C E G Fig. No..10. Módulo IGBT. La opología del inversor del VSD nos permie ener las siguienes formas de onda de salida: (4) ESP. Esa opología produce una forma de onda seudo-sinusoidal que iene 6 ransiciones (6 pulsos de salida) de volaje en la señal creada. HYB. Hybrid PWM crea un volaje variable, con forma de onda mediane modulación de anco de pulso PWM que puede ser úil en algunas aplicaciones para reducir las armónicas de corriene en el moor. Hybrid PWM puede ambién reducir picos de volaje en el cable, bajo algunas condiciones. PWM. El modo PWM uiliza odo el volaje de la barra DC para conformar una forma de onda con anco de pulso modulado. Esa salida iene su mejor aplicación en moores de superficie donde el ransformador de elevación no es uilizado y el cable de poencia del conrolador al moor es relaivamene coro.

91 Es decir: en la salida del inversor aparece un volaje rifásico que depende de la secuencia de disparo de los ransisores que se aplica a la carga. Variando el ángulo de disparo de los IGBT s es posible obener disinas formas de onda del volaje de salida del inversor. También puede variarse la magniud del volaje de salida, variando el anco o la alura de los pulsos. Proceso de conmuación de los IGBT s en el inversor para una forma de onda ESP. Refiérase a la Figura.11, el inversor de volaje variable es generalmene un inversor de seis pulsos, esá unidad consise en seis ransisores, la conmuación de los ransisores esá arreglada de manera que cuando el ransisor superior de cada rama (o fase) es saurado, el inferior no lo esá, y viceversa. Enonces, si se observa el puno cenral de cada fase, conmua periódicamene enre los polos posiivo y negaivo de la Barra DC. (4) Elecrospeed GCS, Troublesooing & Applicaions Guide

92 + - A C B A C B A C B A C B 0 +VDC -VDC VDC -VDC VDC -VDC VDC -VDC + - TR1 TR TR TR4 TR5 TR6 A C B A C B A C B A C B 0 +VDC -VDC VDC -VDC VDC -VDC VDC -VDC VDC VDC

93 Fig. No..11. Secuencia de disparo de los IGBT s. Si cada una de las res fases son conmuadas de esa manera, pero como la conmuación de cada fase demora 10 grados elécricos de la fase previa, las res formas de onda de los punos cenrales (VAO, VBO, VCO) son como se indica en el numeral a) de la figura.1.

94 a) VA0 +VDC TR1 TR4 -VDC VB0 TR5 TR TR5 VC0 TR TR6 TR b) VAB VBC VCA

95 Fig. No..1 a) Formas de onda del volaje con relación al puno 0. b) Formas de onda de volaje de salida del inversor. Si es medida la diferencia de ensión enre dos fases cualquiera (VAB en la Figura.1 lieral b), el resulado es una onda de seis pulsos o seudo sinusoidal. VBC y VCA son las mismas excepo que esán desplazadas las fases 10 grados una de ora. Así, las salidas del puene inversor de res fases es una forma de onda de res fases. Aora considere la corriene del moor producidas por las formas de onda de ensión aplicadas al moor (refiérase a la Figura.1). El V AY represena la ensión enre el Terminal A y el cenro esrella del moor. V BY, V CY serán similares pero las fases esán desplazadas 10 grados.

96 I TR1 TR TR a) VAB - TR4 TR5 TR6 A B C VBC I B VCA Y I C A b) Inervalo VAY Ou via In via TR1 TR5 TR1 TR1 TR5/6 TR6 D4 TR6 TR TR4 TR/ TR TR4 TR4 TR D1 IA Noas: free- weeling freeweeling Inervalo Fig. No..1. a) Salida de Tensión del inversor, b) Tensión Fase- Cenro Esrella, Corriene en la Fase A.

97 IA represena la corriene que fluye en la fase A del moor, la inducancia del moor suaviza la forma de onda de corriene aciéndola sinusoidal. En la forma de onda de corriene, se dan referencias para indicar los disposiivos del puene inversor en conducción durane al inervalo de iempo. Noe que en los inervalos donde la ensión de fase se reviere pero anes que la corriene caiga a cero, la corriene circula a ravés de un ransisor y un diodo de rueda libre en ora rama del puene inversor. Eso ilusra el propósio del diodo de rueda libre proveer un camino de circulación para la corriene de caída del bobinado y eviar el daño de los ransisores debido a fuerza conraelecromoriz Análisis de Fourier La aplicación de la Serie de Fourier al análisis de las señales producidas por los conversores consise en la represenación de la corriene y/o ensión cuya variación es periódica pero no sinusoidal, que puede escribirse como una serie infinia de érminos sinusoidales de frecuencia armónicamene relacionados. f ( ) A A1 cos A cos... A cos( )... B1sen 0 Donde: A 0 : Valor medio de la función A..., 1, A,..., A y B1, B, B : Coeficienes de Fourier

98 * f : Frecuencia angular fundamenal, en rad/seg. T f : Frecuencia fundamenal, en Hz. T : Periodo (En milisegundos). : Orden armónico. El vecor armónico correspondiene se puede asociar con un módulo un ángulo de fase de la siguiene manera: C Donde la magniud y el ángulo de fase vienen dados por: A jb C y C ( A ) ( B ) an 1 A B El valor medio y los Coeficienes de Fourier se calculan mediane las siguienes expresiones: 1 T A0 f ( ). d T 0

99 A B T T T 0 T 0 f ( ).cos( f ( ). sen( ). d ). d.1.- Conversor La configuración ípica del conversor rifásico corresponde al puene de Graez formado por disposiivos elecrónicos de poencia, la mayoría usualmene diodos (Conversor no conrolado), irisores (Conversor Conrolado) y una combinación de ambos disposiivos (Conversor Semiconrolado). + Alim. 1 A 1 B 1 C Recificador - Fig. No..14. Eapa recificadora de seis pulsos.

100 Conversor esáico de energía a 6 pulsos conrolado Descripción general La eapa recificadora del VSD usa 1 recificadores conrolados de silicio (SCR), para formar un puene conrolado rifásico, se conecan cuaro disposiivos a cada una de las res fases de enrada, dos por ramal de la misma fase (esa configuración nos permie manejar mayor corriene) (5) ; lleva un diodo de conmuación (Free Weeling Diode) para eviar volajes negaivos en la barra DC y que de esa manera el recificador rabaje con un volaje de salida de V 0 V. O O V O + Alim. 1 A 1 B 1 C Recificador - Fig. No..15. Eapa Conversora VSD (5) Transformadores, Converidores, Enciclopedia CEAC de Elecricidad Análisis general del proceso de conmuación Condiciones Ideales.

101 Para el esudio del recificador considerando condiciones ideales se supondrá lo siguiene: La red rifásica es un conjuno de res fuenes de ensión perfecamene sinusoidales de ampliud y frecuencia balanceadas y con equilibrio perfeco de sus fases. Los irisores se consideran con resisencia nula en la conducción y con resisencia infinia cuando no conducen; es decir un recificador sin pérdidas. El disparo de los irisores se considera simérico para cada uno de ellos y sin fallas. El ransformador de alimenación iene la conexión Yy0. (5) Se considera la inducancia de la línea elécrica de alimenación despreciable. La figura.16 indica el recificador rifásico ipo puene de onda complea, conecado a un ransformador cuyo primario y secundario se encuenran en conexión Esrella cada uno, a ese ipo de conexión se le conoce como Yy0.

102 Carga Vo S1 S S VA VB ia ib i1a i1b V1A V1B is1 is is D F I O + VC ic Ala Tensión i1c V1C S4 S5 S6 - is4 is5 is6 Recificador Fig. No..16. Recificador rifásico de onda complea alimenado por un ransformador en conexión Yy0. Debido a la conexión Yy0 que presena el ransformador, nos permie obener la secuencia de fases de los volajes ano en el primario (Ala Tensión) como en el secundario de dico ransformador (Figura.17). (5) Transformadores, Converidores, Enciclopedia CEAC de Elecricidad.

103 Volaje Primario VC Volaje Secundario V1C V1B V1A VB VA Fig. No..17. Senido de roación de fases en el primario V A, V B, V C, y, en el secundario V 1A, V 1B, V 1C de un ransformador rifásico en conexión Yy0. En el siguiene diagrama fasorial (Figura.18) se puede apreciar los volajes compuesos presenes en el secundario del ransformador: V1A1B, V1A1C, V1B1C, V1B1A, V1C1A, V1C1B, que son resulado de la suma vecorial de los volajes V1A, V1B, V1C y de sus volajes negaivos (-V1A, -V1B, -V1C) del secundario del ransformador como se indica en la abla.1.

104 VC V1C1A V1C1B V1C -V1A -V1B V1B1A V1A1B X V1B V1A VB V1B1C -V1C V1A1C VA Fig. No..18. Diagrama Fasorial para la conexión Yy0 (Dd11). Tabla No..1.- Secuencia de volajes, resulado de la suma vecorial de los volajes posiivos y negaivos de fase del secundario del ransformador. -V1B + V1A = V1B1A -V1B pasa primero por el eje de referencia X V1A es posiivo

105 V1A V1C = V1A1C -V1C + V1B = V1C1B V1B V1A = V1B1A - V1A + V1C = V1A1C V1C V1B = V1C1B V1A pasa primero por el eje de referencia X posiivo -V1C pasa primero por el eje de referencia V1B es posiivo V1B pasa primero por el eje de referencia X posiivo -V1A pasa primero por el eje de referencia X V1C es posiivo V1C pasa primero por el eje de referencia X posiivo En base al Diagrama Fasorial conocemos la secuencia de los volajes de enrada al variador (Figura No..19) y su respecivo desfasaje que en ese caso es de 60º cumpliendo así con la relación expresada en la ecuación.1 que se cia más adelane.)

106 V 1C1B 1A1B 1A1C 1B1C 1B1A 1C1A Donde: Fig. No..19. Volaje de enrada al Variador. p = Grados de desfase para recificador rifásico. p = Número de pulsos del recificador.

107 Para el conversor de seis pulsos: 6 60º Analizado el volaje de salida del secundario del ransformador, nos cenraremos a la conmuación del recificador de la figura.16. Ese recificador usa seis disposiivos cuyo ángulo de cebado es 0º y su bloqueo será naural, debido a que, para producir en la salida del variador de frecuencia una ensión variable de ampliud y frecuencia, se necesia que a la enrada del inversor aya una ensión coninua de ampliud consane. A ese recificador se lo esudiará dividiéndolo en dos pares: Recificador ipo P o SCR s Posiivos. Recificador ipo N o SCR s Negaivos. SCR s Posiivos. Es la pare del circuio compueso por los irisores S1, S, S, y que se compora igual a un recificador rifásico de media onda, los cáodos de esos disposiivos esán conecados al posiivo de la barra DC y conducen durane el semiciclo posiivo de sus fases respecivas. SCR s Negaivo.

108 Esá compueso por los disposiivos S4, S5 y S6, y los ánodos se conecan al negaivo de la barra DC y conducen durane el semiciclo negaivo de sus fases respecivas. En la figura.0 que se muesra a coninuación podemos observar como la pare superior de la forma de onda es la de los SCR s Posiivos, y la inferior corresponde a los SCR s Negaivos. Así, el volaje en la carga puede considerarse como la suma de los volajes de dos recificadores de media onda rifásicos. V V max 1A1B 1B1C 1C1A S1 S S -V max S4 S5 S6 Fig. No..0. Formas de onda de los SCR s Posiivos y Negaivos.

109 Con la unión del recificador ipo P y recificador ipo N conseguimos que durane odo el iempo se conece el más alo de los res volajes a uno de los erminales de la carga y al oro erminal de la carga se conece el más bajo de dicos volajes, eso significa que nosoros conseguimos dos pulsos en cada fase de enrada, en oal enemos un conversor de seis pulsos. En la figura.1 puede apreciarse las ensiones y corrienes que aparecen en ese recificador, la ensión y la corriene son coninuas debido a que la carga es un filro LC (Barra DC). Para la ensión en la carga vemos seis pulsos con una duración de /, provocando en cada periodo una secuencia de conducción de los irisores al que: SS5; S1S5; S1S6; SS6; SS4; SS4

110 a) Vin Vmax 1C1B 1A1B 1A1C 1B1C 1B1A 1C1A -Vmax b) Vo Io SS5 S1S5 S1S6 SS6 SS4 SS4

111 Fig. No..1. a) Volajes de enrada (V in); b) Volaje (V O) y Corriene (I O) de salida del recificador. Para el esudio de las formas de ondas de corrienes y volajes que se indicarán en las poseriores figuras, debemos anoar algunas ecuaciones que nos servirán para comprender mejor dicas formas de ondas. (6) Volaje máximo de línea. v max v 1A1B Donde: v m ax = Volaje máximo. v 1 A 1 B = Volaje eficaz.. (6) Har D, Elecrónica de Poencia, Pearson Educación, S. A., Prenice Hall, España, 001. Poencia media en la carga Donde: P V O. I O P = Poencia media en la Carga. V O = Tensión media en la Carga.

112 I O = Corriene media en la carga. Tensión media en la carga. (*) V O p 180 º. v max. sen.cos p Donde: p = Número de pulsos del recificador. v m ax = Volaje máximo. cos = Angulo de disparo de los SCR s. Corriene media en la carga (*) Donde: I O.cos. V O. S I O = Corriene media en la carga. cos = Angulo de disparo de los SCR s. S = Poencia aparene V O = Tensión media en la carga.

113 (*) Refiérase al Anexo C.1. (*) Refiérase al Anexo D.1. Corriene pico en los Tirisores Donde: i S max v max R i S max = Corriene pico en los SCR s. v m ax = Volaje máximo. R = Impedancia de la barra DC. Corriene media en los Tirisores Donde: i S 0.18 is max o i S = Corriene media en los Tirisores. i S max = Corriene pico en los SCR s.

114 Donde: i S I O i S = Corriene media en los Tirisores. I O = Corriene media en la carga. Tensión inversa pico V IP v 1A1B Donde: V IP = Volaje inverso pico del SCR. v 1 A 1 B = Volaje eficaz. Mediane análisis de nodos de la figura.16 podemos obener la siguiene ecuación: I O is1 is is ; O S 4 S5 S 6 Cumpliendo mediane ese análisis con la ecuación.8. I i i i Al conocer la corriene I O y la secuencia de conducción de los SCR s, podemos obener las corrienes de esos.

115 is1 is is is4 is5 is6

116 Fig. No... Corrienes en los SCR s del puene recificador de la figura.16. Mediane análisis de nodos, podemos planear las ecuaciones para conocer las corrienes de enrada al recificador que se indican en las formas de onda en la figura..

117 i 1A i1a=is1-is4 i 1B i1b=is-is5 i 1C i1c=is-is6

118 Fig. No... Formas de onda de las corrienes de enrada al recificador. Mediane la relación de ransformación de un ransformador en conexión Esrella-Esrella (ecuación.10), podemos conocer las corrienes en el primario. v i Lp Ls r vls ilp Donde: r = Relación de ransformación. v Lp = Volaje de línea en el primario del ransformador. v Ls = Volaje de línea en el secundario del ransformador. i Ls = Corriene en el secundario del ransformador. i Lp = Corriene en el primario del ransformador. Cuando se aplica un variador de frecuencia en un Sisema de Bombeo elecrosumergible (*), se conocerá el volaje primario y el volaje secundario del ransformador reducor o desfasador, por lo ano, uilizando la ecuación.10 se conocerá la relación de ransformación: r Donde: v v 1 v 1 = Volaje de línea en el lado de ala ensión.

119 v = Volaje de línea en el secundario; cuando se rabaja a 60 Hz el volaje será 480 VAC a la enrada del VSD. Mediane la relación de ransformación, se conocerán las corrienes de línea en el lado primario del ransformador reducor indicas en la figura.4. (*) Refiérase al Anexo A.

120 i A i = A i1a r i B i = B i 1B r i C i C= i 1C r Fig. No..4. Formas de onda de la corriene en el primario del ransformador producidas por el conversor de 6 pulsos. Para las diferenes conexiones de ransformadores, el esudio de volajes y corrienes se indican en el ANEXO B.

121 Análisis Maemáico mediane Series de Fourier. Desarrollando las series de Fourier indicadas en el aparado.5 para la corriene de enrada del Variador de frecuencia en conexión Yy0 del aparado , enemos:

122 -I O i IO 1 Fig. No..5. Corriene de Enrada al VSD de 6 Pulsos. Valor Medio: T d f T A 0 0 ). ( Iod Iod Iod A / 5 / 4 / / 0 0 Io A Io A

123 0 0 A. Coeficienes de las series de Fourier: Coeficiene A : T d f T A 0 ). ).cos( ( cos )..cos( )..cos( Io d Io d Io A ) ( ) ( ) ( sen sen sen Io A sen sen sen sen sen Io A sen sen sen sen Io A

124 Coeficiene B : T d sen f T B 0 ). ( ). ( (. ). (. ). (. Iosen d Iosen d Iosen B ) cos( ) cos( ) cos( Io B cos. cos 4. cos.0 cos. cos. Io B 5. cos. cos 4. cos. cos. Io B Para = 1 se iene. Para A :

125 sen sen sen sen Io A sen sen sen sen Io A 1 Io A 4 1 Io A A * Io. 1 Para B : 5 1. cos 1. cos 4 1. cos 1. cos.1 1 Io B

126 B 1 Io cos cos 4 cos cos 5 B 1 Io B 1 Io 0 B 1 0 Evaluando los resanes coeficienes se obiene la Ecuación No..11: i1a ( ) I O cos( ) cos(5 ) cos(7 ) cos( 11 ) co 1 Mediane el análisis de Series de Fourier eco se concluye que esa señal iene valor medio cero y además, cumple con la condición f ( ) f ( ), por lo que se raa de una señal par, cumpliendo con la ecuación 1.18 que indica los armónicos caracerísicos que producen los variadores de 6 pulsos al sisema elécrico de poencia. En general las armónicas caracerísicas eóricas presenes en un conversor de 6 pulsos son:

127 Conversor de seis pulsos: Armónicas presenes 1, 5, 7, 11, 1, 17, 19,, 5, 9, 1, 5, 7, ec. Si el recificador fuera alimenado por un ransformador en conexión delaesrella (Anexo A), la serie de Fourier para esa corriene será: i1a ( ) I O cos( ) cos(5 ) cos(7 ) cos( 11 ) co 1 Que sólo difiere de la ecuación.11 para la conexión Yy0 del ransformador en la secuencia de roación de las armónicas de orden (6k 1) para los valores impares de k, es decir la 5ª, 7ª, 17ª, 19ª, ec., siendo el orden de las ampliudes inyecadas el mismo. Las ampliudes de las corrienes armónicas generadas por el converidor decrecen con su número de orden y bajo condiciones ideales podemos acepar que: I1 I Donde:

128 I = Es la ampliud de la -ésima armónica. I 1 = Es la ampliud de la componene fundamenal. A coninuación se presenan los índices armónicos eóricos producidos por los Conversores de seis pulsos produco de las Series de Fourier, obenidos ambién mediane la ecuación.1. Tabla No...- Armónicas de corriene inyecadas por un recificador de 6 pulsos Armónicas % de la Fundamenal Señales del conversor uilizando el Sofware MATLAB

129 Para la represenación de las formas de onda de corriene producidas por los VSD s en base a su volaje de alimenación (v 1A1B), y poencia, se a desarrollado una programación bajo el sofware Malab. El beneficio principal que se obendrá al rabajar con ésa programación es que se puede conocer los valores maemáicos y las formas de onda aproximadas ano de las corrienes de enrada como del volaje de salida a diferenes frecuencias de funcionamieno del variador con sus correspondienes especros de frecuencia para variadores de 6 y de 1 pulsos. Parámeros para la programación. Ésa programación fue desarrollada en base a las ecuaciones indicadas en el aparado (Ecuaciones.4 a.10) y la serie de Fourier que represena a la corriene producida por los conversores de 6 pulsos, que en conjuno se indican nuevamene: Tensión media en la carga: Corriene media en la carga: I O.cos. V O. S

130 Serie de Fourier para corriene producida por un conversor no conrolado de 6 pulsos: i1a ( ) I O cos( ) cos(5 ) cos(7 ) cos( 11 ) cos( 1 ) cos( 17 ) Para obener el Angulo de disparo de los Tirisores en la pare conversora del VSD, se parió de la relación enre el Volaje de salida obenido en base a la Frecuencia Seeada o de salida la cual represena una pendiene expresada por: y = 0,15x.

131 Frecuencia RELACION VOLTS-HERTZ 60,0 50,0 40,0 0,0 0,0 10,0 0, Volaje Fig. No..6. Relación Vols-Herz De la ecuación.4 se despeja alfa ( ) que es el ángulo de disparo de los SCR s: cos 1. V O. v rms

132 Obeniendo de esa manera el ángulo de disparo de los SCR s a diferenes frecuencias, a coninuación se cian los valores más relevanes para diferenes frecuencias de salida: Tabla..- Angulo de disparo de los SCR s para diferenes frecuencias de salida. Volaje RMS de Enrada Frecuencia de salida del VSD Volaje de salida (V O) SCR * * V clamp (Volaje Límie de salida del variador) Conocido el ángulo de disparo de los SCR s a diferenes frecuencias de funcionamieno (desde 0.0 asa Hz) se obiene la gráfica que represena dico ángulo alfa. (*)

133 alfa SCR 100º 90º 80º 70º 60º 50º 40º 0º 0º 10º 0º Frecuencia Fig. No..7. Gráfica de la Frecuencia en base al ángulo de disparo de los SCR s. La Línea de endencia obenida que represena al ángulo de disparo de los SCR s es una función Polinomial de sexo orden que se escribe a coninuación: = (-E-10)(frecuencia) 6 + (4E-08)(frecuencia) 5 (E-06)(frecuencia) 4

134 + (6E-05)(frecuencia) (0,0011)(frecuencia) (0,7007)(frecuencia) + 89,99 De esa manera conocemos que a mayor frecuencia de funcionamieno, el ángulo de disparo de los SCR s será menor permiiendo obener una forma de onda de volaje recificado más sinusoidal. Al ocurrir lo conrario, es decir: a menor frecuencia de funcionamieno, mayor es el ángulo de disparo de los SCR s lo que se raduce en una forma de onda de volaje recificado con mayor disorsión armónica que afecará a la corriene en la carga y por la impedancia inerna del VSD a la corriene en el PCC. (*) (*) Refiérase al Anexo E.1. (*) Refiérase al Anexo F. A coninuación se indican las formas de onda obenidas para la conexión Esrella en el lado primario y secundario del ransformador de alimenación (Figura No..8) y, las formas de onda para la conexión Triángulo en el primario y Esrella en el secundario del ransformador de alimenación (Figura.9.) Fig. No..8. Variador con conexión del ransformador de alimenación en Yy11. Parámeros de programación.

135 Daos y cálculos obenidos en la panalla Command Window: Daos: Ingrese el volaje de Línea del Primario: vllp = 400 Ingrese el volaje de Línea del Secundario: vlls = 480

136 Ingrese los KVA s del VSD:

137 KVA = 519 Ingrese la Frecuencia de Funcionamieno del VSD: frecuencia = 60 Cálculos: KVA1 = 1000 r = 5 Vo = Io = iin = 64.6 DPF = iinp = irmsp = Irmsp = 14.5 ithdrms = ithdf = Vou = Conexión Dy11

138

139 Fig. No..9. Variador con conexión del ransformador de alimenación en Dy11. Parámeros de programación. Daos y cálculos obenidos en la panalla Command Window: Daos: Ingrese el volaje de Línea del Primario: vllp = 400 Ingrese el volaje de Línea del Secundario: 480 vlls = 480 Ingrese los KVA s del VSD: KVA = 519 Ingrese la Frecuencia de Funcionamieno del VSD: frecuencia = 60 Cálculos: KVA1 = 519 r = 5 Vo = Io = iin = 64.6 DPF = iinp = irmsp =14.85

140 Irmsp = 14.5 ithdrms = ithdf = Vou = Efecos de la inducancia de la Fuene (L S) en la conmuación de corriene En el párrafo , no se considero que la línea elécrica y, en ese caso el ransformador inroduzcan una ciera inducancia que aparece en serie con la fuene de ensión conecada a la enrada del recificador. Por ello (en condiciones ideales) se considero que las ransiciones en la inensidad de línea eran insanáneas; pero en realidad, pueso que L S 0, la inensidad de línea varía. En ese aparado analizaremos el efeco que esa inducancia va a inroducir en el recificador rifásico uilizado en la eapa conversora del variador de frecuencia.

141 L S1 S S + IL + LS V1A is1 is is IC IR LS LS i1a i1b i1c V1B V1C S4 S5 S6 D F VX C R VO is4 is5 is6 Recificador - - Fig. No..0. Recificador rifásico en puene compleo con Vo = ce y L S 0. Debido a esa inducancia la corriene no conmuará de forma insanánea, sino que necesiará de un inervalo llamado de conmuación y represenado por Si consideramos la conmuación, por ejemplo, de S a S 1, cuando previamene esaban en conducción S y S 5, nos enconramos con que cuando disparamos el irisor S 1 la corriene en ése no puede crecer insanáneamene desde 0 a I O, exisiendo un inervalo de conmuación durane el cual conducirán simuláneamene S y S 1. Eso se indica en la figura.1.

142 Para realizar el esudio de ese proceso de conmuación fijaremos el origen del iempo 0 que es en el insane de conmuación naural de S 1; considerando el comienzo de la conmuación de corriene de S a S 1 en:, como se ve en la figura.1.

143 V1A - + VL1A i 1A S1 Vconmu. iµ V1C - + VL1C i 1C S I O + - VO V1B - + S5 V 1A V 1B V 1C A µ 0 I O i1c i1a 0 µ

144 Fig. No..1. Efecos de la LS 0 en la conducción de corriene Observando la figura.1 es fácil deducir que: vconm v1 A v1 C i 1A i i (Ec..14) i 1C I O Donde: v conm = Volaje de conmuación. v 1 A = Volaje de la línea de la fase A. v 1 C = Volaje de la línea de la fase C. i 1 A = Corriene en la fase A. i = Corriene de conmuación. i 1 C = Corriene en la fase C. I O = Corriene media de salida del recificador.

145 La corriene de conmuación, i, variará desde 0, en a en una ampliud I O, por lo ano, las ensiones en las inducancias de fuene durane el inervalo de conmuación vendrán dadas por: Donde: v v L1A L1C d i1 LS. d d i1 LS. d A C di LS. d di LS. d vl 1 A = Volaje de la línea durane el inervalo de conmuación. L S = Inducancia de línea. i 1 A = Corriene en la fase A. i 1 C = Corriene en la fase C. Por lo que se podrá escribir: di vconm v1 A v1 C vl 1A vl 1C. LS. d (Ec..16)

146 di LS. d v 1A 1C v (Ec..17) Inegrando en la expresión anerior:. L S. I O 0 di v 1A v 1C. d( ) (Ec..18) Y como: v1 A v1 C. vrms. sen( ) (Ec..19) Se obiene:. L S. IO. vrms. cos( ) cos( ) (Ec..0) De donde podemos despejar:.. L. S cos( ) cos( ) IO (Ec..1). vrms Expresión que nos va a permiir calcular la duración del inervalo de conmuación.

147 Así mismo, en la figura.1 se observa que A será: A diu LS.. d( d vla ) v 1A v 1C. d( ) (Ec.. Donde: ) A = Área de conmuación. Que es independiene de. Además, como esa pérdida de área se produce cada /, endremos que V O queda: V O V X A.. v rms.cos( ).. L. I S O (Ec.. ) Modos de conducción del circuio Debido al volaje proveniene de la eapa de recificación del variador que depende direcamene del ángulo de disparo de los SCR S que esa en función de la frecuencia de salida del variador, el variador puede operar en los modos de conducción coninua o disconinua (6).

148 Cuando la corriene es permanene, la inensidad que araviesa la bobina (en la barra DC) siempre es posiiva, como se muesra en la Figura.a. Cuando la corriene es disconinua, la inensidad que araviesa la bobina se ará nula en cada ciclo, como se muesra en la Figura.b. a) I L b) I L Fig. No... a) Corriene coninua en la bobina de la barra DC; b) Corriene disconinua en la bobina de la barra DC. Corriene coninua para la salida con filro L-C. Cuando la corriene es coninua, la ensión V X de la Figura.0 es una onda sinusoidal recificada con presencia de rizado, cuyo valor medio es:

149 V X p 180 º. v max. sen.cos p. Como la ensión media en la bobina en régimen permanene es nula, la ensión de salida media cuando pasa una corriene permanene por la bobina es: V O p 180 º. v max. sen.cos p (6) Har D, Elecrónica de Poencia, Pearson Educación, S. A., Prenice Hall, España, 001. Para facilidad del análisis de corriene, se repie el análisis de la ensión de salida de una manera más conveniene pero maneniendo sus caracerísicas: VO ( ) vmax, L l. sen( ) con periodo / (Ecuación.1 para recificador de 6 pulsos) para deerminar los coeficienes de la serie de Fourier. Los coeficienes de los érminos seno son nulos por simería, por lo que podemos expresar la serie de Fourier para la ensión de salida de la siguiene manera: v O V O 6,1,18... v n cos( O )

150 El valor medio o de coninua de la ensión de salida es: V O. v máx Y, V. v máx La corriene media en la bobina debe ser igual a la corriene media en la resisencia, ya que la corriene media en el condensador es cero: I L I R V O. v máx R R Se puede esimar la variación de corriene en la bobina a parir del primer érmino de alerna en la serie de Fourier (6). El primer érmino de ensión alerna (Ecuación.6), con = 6. Suponiendo que el condensador es un corocircuio en alerna, exisirá una ensión armónica v 6 en la bobina. La ampliud de la corriene que araviesa la bobina para = 6 es: (6) Har D, Elecrónica de Poencia, Pearson Educación, S. A., Prenice Hall, España, 001.

151 I 6 V Z 6 6 V 6 6 L 6. v máx 5 6 L v máx 5 L Para que la corriene sea siempre posiiva, la ampliud del érmino de alerna (Ecuación.6) deberá ser menor que la del érmino de coninua (Ecuación.5). I 6 I L O; v 5 L 105 R L v máx. R 105 L 1 máx R

152 V 105 L R Si, 1 la corriene es permanene y la ensión de salida es: O. v máx. Enonces: En la aplicación de un recificador que opere en el modo de conducción coninua se presenaran las siguienes formas de onda de corrienes (Figura..)

153 a) I. Recificada Io b) I. SCR's i S1 i S i S i S4 i S5 c) I. Inpu is6 i A i B i C

154 Fig. No... Corrienes del recificador cuando opera en Modo de conducción coninua. a) Corriene recificada; b) Corriene en los SCR s; c) Corriene en las líneas de enrada. Corriene disconinua para la salida con filro L-C. Cuando la corriene en la bobina es disconinua, la corriene se ace nula en cada periodo de su forma de onda (Figura.b.) La corriene se vuelve acer posiiva cuando la ensión de salida del puene alcanza el nivel de ensión del condensador, es decir, cuando:, uilizamos la Ecuación No..1 para conocer el ángulo de disparo necesario, que se la cia como la.8: cos 1 V O. v. máx Cuando la corriene es posiiva, la ensión en la bobina L s es: v v. sen( ) L máx V O Donde abrá que deerminar la ensión de salida V O, La corriene en la bobina se presena de la siguiene manera: 1 I L ( L) vmáx. sen( ) VO d( ) L

155 Para 1 v l, máx (cos, cos( ) V O ( ) Que es válida asa que la corriene se ace nula, en:. Sínesis del modo de conducción disconinua. Para simplificar nuesro análisis supondremos que la I L fluye de forma disconinua, a parir de esa ipóesis podremos dibujar el circuio equivalene indicado en la figura.4.

156 L S S P + - v i V O + - L S S N Fig. No..4. Circuio equivalene. En ese circuio equivalene S P corresponde a uno de los SCR s posiivos S 1, S, S, y S N a uno de los SCR s Negaivos S 4, S 5, S 6, siendo v i la forma de onda de volaje de enrada al recificador y V O el volaje de salida del recificador, indicados en la figura.5.

157 V i VO 0 V 1A i 1A 0 Fig. No..5. Formas de onda de vi, v1 A, i1 A.

158 En base a los dos análisis realizados, la coninuidad o disconinuidad de la corriene en la barra DC depende del volaje proveniene de la eapa recificadora, es decir del ángulo de cebado de los irisores. La ensión de salida para modo de conducción disconinua es mayor que para modo de conducción coninua. Si no ay carga, el condensador se cargará asa el valor pico de la señal procedene del generador, por lo que la salida máxima será v máx. A parir del valor normalizado (7)(*) : I / I, podemos obener los valores de L V O / V do, CF, THD i, DPF y PF, de una manera generalizada, mediane las gráficas mosradas en las figuras.6 y.7. CC (7) Benaven J: Elecrónica de Poencia, Teoría Y Aplicaciones, Universidad Poliécnica de Valencia, Alfaomega, México. (*) Siempre que se pueda asumir que la ensión de carga es consane. Se define: I CC VLL. L s

159 Fig. No..6. DPF, THDi y PF función de Id / ICORTOCIRCUITO

160 Fig. No..7. V O / V do y CF función de I d / I CORTOCIRCUITO.1..- Conversor esáico de energía a 1 pulsos conrolado Descripción general El sisema de 1 pulsos se uiliza para amplificar ya sea volaje o corriene en la carga y eso se ace conecando los recificadores de 6 pulsos en serie o en

161 paralelo respecivamene. La corriene que el recificador absorbe de la red es la misma, independiene de la configuración uilizada, por lo que una consecuencia inmediaa en el uso de un recificador de 1 pulsos desde el puno de visa armónico es el menor nivel de disorsión que ése causa en el Puno de Acoplamieno Común (PCC.) El VSD de 1 pulsos consise en la conexión de dos recificadores de 6 pulsos alimenados mediane un ransformador con dos secundarios (ransformador desfasador) o a ravés de dos ransformadores. En ambos casos, la conexión de la alimenación de los recificadores debe ser: uno en esrella y el oro en dela, refiriéndose a los secundarios del ransformador. Eso produce un desfase de 0º elécricos enre los respecivos volajes de alimenación de los recificadores, consiguiendo de esa manera un volaje en la salida del recificador (Barra DC) con menor nivel de flucuación (rizado), además de una corriene de línea en el primario del ransformador de alimenación con una caracerísica basane más sinusoidal (con menor disorsión de corriene) con respeco al conversor de 6 pulsos.

162 + Alim. Recificador 6P - Transformador Desfasador Recificador 6P Fig. No..8. Sisema Conversor de 1 Pulsos con conexión en paralelo. Transformador desfasador. Permie desfasar una señal sinusoidal generando una salida de igual frecuencia que la original pero desfasada ciero ángulo comprendido enre 0 y 90 grados elécricos. Ese ransformador se coneca a la fuene de suminisro rifásica (Lado Primario) y, a ravés de la combinación vecorial de esas res fases desarrolla el número de fases de salida requeridas.

163 Ese desfase enre sus secundarios da como resulado que los volajes y corrienes de salida de ambos secundarios engan un desfase de 0 grados elécricos para el caso de un conversor de 1 pulsos, cumpliendo así con la ecuación.1 que se desarrolla a coninuación para un conversor de 1 pulsos p 1 6 0º Análisis del proceso de conmuación conversor de 1 pulsos Condiciones Ideales. Para el esudio del recificador de 1 pulsos se supondrá lo siguiene: La red de alimenación rifásica es un conjuno de res fuenes de ensión perfecamene sinusoidales, de ampliud y frecuencia balanceadas, y con equilibrio perfeco de sus fases. Los irisores (SCR) se consideran con resisencia nula en la conducción y con resisencia infinia cuando no esán conduciendo; es decir un recificador sin pérdidas. El disparo de los irisores se considera simérico para cada uno de ellos y sin fallas. La carga es un filro consiuido por una inducancia y un condensador.

164 Carga Vo En la figura.9 se indica el esquema básico de un conversor de 1 pulsos con configuración en paralelo que es uilizada para amplificar la corriene en la carga y, la conexión del ransformador desfasador Dy11/d0 A B C ia ib ic i P1 ip ip i i i 1A 1B 1C V1A V1B V1C S1 S4 S1 S S is1 is is S5 S6 is4 is5 is6 Recificador 1 S S IO1 IO IO + - i VA A i S1 i S is i VB B VC ic S4 S5 S6 is4 is5 is6 Recificador Fig. No..9. Esquema Básico de un VSD de 1 Pulsos. El análisis de un conversor de 1 pulsos se basa en odo lo obenido para el conversor de 6 pulsos. Los concepos referenes a la conducción de los

165 irisores, a la corriene y al volaje de carga en función del ángulo de disparo y del ángulo de conmuación son igualmene válidos en el conversor de 1 pulsos. Primero iniciaremos con el análisis de los volajes debidos a las conexiones exisenes ano en el primario, como en los secundarios del ransformador desfasador. Como se puede observar en la figura.40, la cual presena los volajes y sus secuencias que son resulado del ipo de conexión ano en el primario (conexión D) como en los secundarios del ransformador desfasador (conexión y11 y d0 respecivamene) de la figura.9.

166 Volaje Primario VC Volaje Secundario y11 Volaje Secundario d0 V1C C VC V1A VB VA V1B VB VA Fig. No..40. Senido de roación de los volajes: en el primario V A, V B, V C; en el primer secundario V 1A, V 1B, V 1C; y en el segundo secundario V A, V B, V C Tomando como referencia los volajes primario y secundarios de cada devanado de la figura.40, podemos obener la secuencia del diagrama fasorial de volajes.

167 VCA VCA V1C1B VCB V1C1A V1C -V1B V1A1B VBA -V1A V1A VAB VAB V1B1A V1B -V1C V1A1C VBC V1B1C VAC VBC Fig. No..41. Diagrama fasorial, conversor de 1 Pulsos.

168 Mediane la secuencia de los volajes de enrada de los recificadores, se conoce los volajes y corrienes de salida de cada recificador, obeniendo de esa manera los volajes V 01 y V 0 y las corrienes I 01 e I o. Esas formas de ondas de volaje y corriene se indican en la figura.4.

169 a) V V 1B max CB 1A1B AB 1A1C AC 1B1C BC 1B1A BA 1C1A CA 1C -V max b) V I O1 O1 S5 S1S5 S1S6 SS6 SS4 SS4 S V I O O SS5 S1S5 S1S6 SS6 SS4 SS4

170 Fig. No..4. a) Secuencia de enrada de volajes en los recificadores 1 y, b) Volajes y corrienes de Salida de los recificadores de 6 pulsos En la Figura.4 b), se observa el volaje V O1 y la corriene I O1, que son el resulado de la conducción de los irisores del recificador 1: S5; S1S5; S1S6; SS6; SS4; SS4; S Para el caso del volaje V O y de la corriene I O, los irisores del recificador serán: SS5; S1S5; S1S6; SS6; SS4; SS4 El volaje oal (V O) y la corriene oal (I O) de salida del conversor de doce pulsos son resulado de los volajes y corrienes de salida de los recificadores de seis pulsos conecados en paralelo que se indica en la figura.4. El volaje de salida endrá menos rizado que el de 6 pulsos debido a que acúan los dos volajes de salida (V O1 y V O); mienras que la magniud de la corriene será como se indica en la ecuación.. Volaje de salida del conversor de 1 pulsos. p 180 º V O. v max. sen p

171 V O 1. v max. sen(15º ) Corriene de salida del conversor de 1 pulsos. I O I I O1 O Vo io S5 SS5 S1S5 S1S5 S1S6 S1S6 SS6 SS6 SS4 SS4 SS4 SS4 S Fig. No..4.Volaje y corriene de salida del recificador de 1 pulsos. Al conocer la corriene de salida de cada conversor de 6 pulsos y la secuencia de conducción de los SCR s de los recificadores, podemos conocer las corrienes de esos irisores:

172 is1 is is is4 i S5 i S6

173 Fig. No..44. Corrienes en los SCR s del recificador 1.

174 i S1 is is i S4 is5 is6

175 Fig. No..45. Corrienes en los SCR s del recificador. Mediane el análisis de nodos, planeamos las ecuaciones de corrienes de enrada del recificador 1: i i i 1A S1 S 4 i i i 1B S S 5 i i i 1C S S 6

176 i 1A i 1B i1c

177 Fig. No..46. Corrienes de enrada al recificador 1. Para obener las corrienes de enrada al recificador, ambién uilizamos el análisis de nodos: i A is1 is 4 Corrien i i i B S S 5 i i i C S S 6 Corrien Corrien

178 ia ib ic

179 Fig. No..47. Corrienes de enrada al recificador. Conocidas las corrienes de enrada a los recificadores 1 y que son las corrienes de salida de los secundarios del ransformador de alimenación (conexión y11 y conexión d0 respecivamene), podemos enconrar las corrienes que circulan por el lado primario del ransformador. i1a A B C i i i P1 P P i1b i1c 1 A 1 B 1 C Fig. No..48. Corrienes de fase en la conexión Dy11. La relación de ransformación para la conexión Dy11 considerando los volajes fase-fase y las corrienes producidas en el lado primario (conexión Dela) y secundario del ransformador (conexión en esrella) será: v v A 1A i i 1A A r

180 Por lo ano la corriene en la bobina del primario es: r i i A P 1 1 Conociendo la corriene de línea del primario del ransformador desfasador en la conexión Dy11 que se puede conocer mediane la relación de ransformación, podemos planear las ecuaciones para las corrienes en el bobinado de lado primario: A P r i i. 1 1 B P r i i 1 C P r i i 1

181 i P1 i P ip Fig. No..49. Corrienes de fase que circulan por los devanados del primario resulado de la Conexión Dy11.

182 Las corrienes en el primario que son resulado de la conexión Dd0 (Recificador ) endrán la forma de onda y valor maemáico indicado en la figura.50.

183 i A i = A i r 1A i B i B= i r 1B i C i C= i r 1C Fig. No..50. Corrienes de línea en el primario del ransformador que son resulado de la conexión Dd0. Conocidas las corrienes de fase que circulan por los devanados del primario (Figura.49) resulado de la conexión Dy11, mediane el análisis de nodos; planeamos las ecuaciones para obener las corrienes de línea del primario en base a esa conexión. Esas formas de onda y el análisis de nodos se indican en la figura.51.

184

185 ia ia=ip1-ip ib ib=ip-ip ic ic=ip-ip1

186 Fig. No..51. Análisis de nodos y corrienes de línea en el primario del ransformador resulado de la conexión Dy11. En el primario se verán las corrienes inducidas ano por la conexión Dy11 como por la conexión Dd0; eóricamene la corriene de línea del primario (conexión dela) va a ener la misma dirección que la corriene de línea del secundario en conexión dela (d0); y, desfasada 0º con respeco a la corriene de línea del secundario en conexión esrella (y11), vea la figura.5. i d0 i y11 Fig. No..5. Dirección de las corrienes en la conexión D y11d0. Conocido el desfase de esas corrienes, las corrienes resulanes de la superposición ano de las corrienes de conexión Dy11 como la conexión Dd0, se indican en la figura.5.

187 i A ib ib

188 Fig. No..5. Corriene producidas por el Conversor de 1 Pulsos en el lado primario del ransformador de alimenación Análisis Maemáico mediane Series de Fourier Para analizar la corriene de enrada de un variador de 1 pulsos (Figura.54), es necesario considerar las magniudes de las corrienes, ano de la conexión Esrella-Esrella como Esrella-Triángulo.

189 i1 Fig. No..54. Corriene de Enrada al VSD de 1 Pulsos. Mediane las conexiones del primario y de los secundarios del ransformador desfasador, se conocerá la ampliud de las corrienes presenes en el primario de dico ransformador; para mayor comprensión la figura.54 se puede represenar para cada conexión de la siguiene manera: Conexión Esrella Esrella (o Triángulo Triángulo):

190 i1 I O I O Fig. No..55. Magniud de la corriene de línea en el primario debido a la conexión Esrella Esrella (Triángulo Triángulo). Conexión Triángulo Esrella La relación de ransformación para la combinación riángulo esrella, ace que la corriene de línea produco de esas conexiones, se relacione a la corriene indicada en la figura.56 de la siguiene manera: I O I O' (Ec..4)

191 i 1 I I -I O' O' O' -IO' Fig. No..56. Corriene de línea en el primario del ransformador desfasador resulado de la conexión Triángulo Esrella. Conociendo la relación enre las corrienes producidas por las diferenes conexiones de los secundarios del ransformador desfasador, la Serie de Fourier de la corriene producida por el Variador de frecuencia de 1 pulsos es: Valor Medio: 1 T A0 f ( ). d T 0

192 '. '. '. '. '. ' d Io d Io d Io d Io d Io d Io Iod Iod Iod A ' 1 d d d d d d Io d d d Io A 6 / 11 / 6 / 7 6 / 5 / / 6 / 0 / 0 / 5 / 4 / / 0 0 '... 1 Io Io A ' Io Io Ao 0 ' Io Io Ao

193 0 Ao Coeficienes de las series: Para el coeficiene A : T d f T A 0 ). ).cos( ( ). '.cos( ). '.cos( ). '.cos( ). '.cos( ). '.cos( ). '.cos( )..cos( )..cos( )..cos( d Io d Io d Io d Io d Io d Io d Io d Io d Io A

194 ). cos( ). cos( ). cos( ). cos( ). cos( ). cos( ' ). cos( ). cos( ). cos( d d d d d d Io d d d Io A ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( '. ) ( ) ( ) (. 1 sen sen sen sen sen sen Io sen sen sen Io A

195 ' sen sen sen sen sen sen sen sen sen sen sen sen Io sen sen sen sen sen sen Io A ' sen sen sen sen sen sen sen sen Io sen sen sen sen Io A Para el coeficiene B : T d sen f T B 0 ). ( ). (

196 ). ( '. ). ( '. ). ( '. ). ( '. ). ( '. ). ( '. ). (. ). (. ). (. d sen Io d sen Io d sen Io d sen Io d sen Io d sen Io d Iosen d Iosen d Iosen B )..( )..( )..( )..( )..( )..( ' )..( )..( )..( 1 d sen d sen d sen d sen d sen d sen Io d sen d sen d sen Io B

197 ) cos( ) cos( ) cos( ) cos( ) cos( ) cos( '. ) cos( ) cos( ) cos(. 1 Io Io B cos. cos 6 5. cos 6 7. cos. cos. cos 6. cos. cos ' 5. cos. cos 4. cos. cos 1 Io Io B Para = 1 se iene: Para A :

198 ' sen sen sen sen sen sen sen sen Io sen sen sen sen Io A 1 1) ( ) ( 1 1 ' 1 1 Io Io A 6 ' Io Io A De la ecuación.4, reemplazamos ' Io

199 Io Io A Io Io A 1 A Para B : cos 1. cos cos cos 1. cos 1. cos 6 1. cos 1. cos 1 ' 5 1. cos 1. cos 4 1. cos 1. cos Io Io B 0 ' Io Io B 0 1 B

200 Evaluando los resanes coeficienes se obiene: i A 1 1 I O cos( ) cos( 11 ) cos( 1 ) cos( Esa serie sólo coniene armónicas de orden (1k 1). Las corrienes armónicas de orden (6k 1) con k impar, circulan enre los secundarios del ransformador pero no peneran a la red. Esa señal iene valor medio cero y además, cumple con la condición: f ( ) f ( ), por lo que se raa de una señal par; cumple con la ecuación 1.18 que indica que armónicos caracerísicos producen los variadores de 1 pulsos al sisema elécrico de poencia. Es decir, las armónicas eóricas presenes en un conversor de 1 pulsos son: Conversor de doce pulsos: Armónicas presenes 1, 11, 1,, 5, 5, 7, 47, 49, ec. Las ampliudes eóricas de las corrienes armónicas generadas por los conversores de 1 pulsos mediane la uilización de la ecuación.1, serán:

201 Tabla No..4.- Armónicas de corriene inyecadas por un recificador de 1 pulsos Armónicas % de la Fundamenal Señales del conversor de 1 pulsos uilizando el sofware MATLAB El análisis de un conversor de 1 pulsos se basa en odo lo obenido para el conversor de 6 pulsos. Es necesario indicar que los concepos referenes a la conducción de los irisores, a la corriene y al volaje de enrada en función del ángulo de conmuación son igualmene válidos en el conversor de 1 pulsos, difiriendo en el número de pulsos y la ecuación para represenar la corriene mediane series de Fourier obenida previamene. Parámeros para la programación

202 Las ecuaciones necesarias para la programación en el sofware Malab se indican a coninuación: Volaje máximo de línea: Tensión media en la carga De la ecuación.4 (*) V Corriene media en la carga (*) : Serie de Fourier para corriene producida por un conversor no conrolado de 1 pulsos: i1 IO cos( ) cos( 11 ) cos( 1 ) cos( ) cos(5 ) (*) Refiérase al Anexo C..

203 (*) Refiérase al Anexo D.4. De igual forma que se realizo para el variador de 6 pulsos, se pare de la relación: Volaje de salida obenido depende de la Frecuencia de salida seeada, por lo ano, los ángulos de disparo para cada eapa conversora del variador de 1 pulsos van acer iguales. (*) Para efecos de programación; de la ecuación para la Tensión Media en la carga uilizada para recificador de 1 pulsos (Ec..4), se obiene el valor del ángulo de disparo de los SCR s en base a la frecuencia de salida.

204 alfa SCR Frecuencia Fig. No..57. Gráfica de la Frecuencia en base al ángulo de disparo de los SCR s.

205 La línea de endencia obenida para el ángulo de disparo de los SCR s del conversor de 6 pulsos difiere de la línea de endencia del conversor de 1 pulsos debido a que ése iene mayor valor de volaje medio que el de 6 pulsos (consideración que se oma solo para la programación). = -(E-10)*(frecuencia) 6 + (E-08)*(frecuencia) 5 (E-06)*(frecuencia) 4 + (E-05)*(frecuencia) -(0,0007)*(frecuencia) -(0,679)*(frecuencia) + 89,995 (*) En el variador de 1 pulsos (eapa recificadora), los ángulos de disparo de los SCR s van acer iguales en el recificador 1 y recificador, (Tabla No..). Obenido el ángulo de disparo de los SCR s en base a la frecuencia de salida seeada en el variador, se realiza la programación para conversores de 1 Pulsos en el Sofware MATLAB. A coninuación se indican las formas de onda de corriene obenidas mediane la programación en MATLAB para un sisema de 1 pulsos.

206 Fig. No..58. Formas de onda de corriene de enrada y volaje de salida, producidas por el variador de 1 Pulsos

207 Parámeros de programación. Daos y cálculos obenidos en la panalla Command Window: Daos: Ingrese el volaje de Línea del Primario: vllp = 400 Ingrese el volaje de Línea del Secundario: vlls = 480 Ingrese los KVA s del VSD: KVA = 1000 Ingrese la Frecuencia de Funcionamieno del VSD: frecuencia = 60 Cálculos: KVA1 = 1000 r = 5 Vo = Io = 14.9 iin = 10.8 DPF = iinp = irmsp = Irmsp = 4. ithdrms = ITHDf = Vou = 479.9

208 Efecos de la Inducancia de la Fuene (L S) en la conmuación de la corriene. El análisis del efeco de la inducancia de línea en ese caso es similar al realizado en el párrafo , vale indicar que los concepos referenes a la conducción de los irisores, a la corriene y al volaje de carga en función del ángulo de disparo y del ángulo de conmuación son igualmene válidos para el conversor de 1 pulsos, la diferencia radica en que como ése consa de dos recificadores de 6 pulsos la corriene en el primario del ransformador, es decir

209 la que absorbe la red, es la suma de las corrienes por cada recificador de 6 pulsos.

210 a) V Dy V Dd0 0 b) i A 0

211 Fig. No..59. a) Superposición de Volaje de salida del Recificador 1 y Recificador. b) Corriene de línea en el primario del ransformador. X.- EQUIPOS USADOS PARA MEDIR LA CALIDAD DE LA ENERGIA Analizador de Redes Inroducción. Se conoce con el nombre de analizadores de redes a deerminados insrumenos especialmene desinados a medir parámeros de la red elécrica. En general, se raa de insrumenos digiales basados en un sisema microprocesador que oman muesras de las ondas de ensión y corriene y calculan los valores eficaces de ensiones y corrienes con un deerminado iempo de promediado TMP. Es frecuene que el TMP sea de un segundo, aunque en algunos insrumenos menos poenes, es más largo. Básicamene podemos disinguir dos ipos de analizadores de red: a) Analizadores Poráiles. b) Analizadores fijos o de panel.

212 La precisión de los analizadores de red esá muy condicionada a emplear ransformadores y pinzas amperiméricas de una precisión elevada. Debe enerse en cuena (sobre odo para aparaos poráiles que midan con dicas pinzas) que el error de ángulo suele ser imporane y por ano las medidas de poencia y facor de poencia pueden esar sujeas a errores imporanes en deerminadas zonas de la escala Equipo analizador de redes AR5 (8). El Analizador de redes AR5 es un equipo clasificado como un analizador de redes poráil que mide la ensión de red direcamene y se suele emplear pinzas para capurar la corriene. Tiene una canidad de memoria imporane para guardar daos de forma que pueden emplearse como regisradores de ensión y corriene; debido a sus funciones an desplazado a los ípicos regisradores de agujas. (8) Analizador de Redes AR5, Manual de Insrucciones. El análisis de los daos regisradores se suele llevar a cabo mediane una conexión a ordenador y un sofware. El equipo analizador de redes elécricas AR5 puede ener en memoria diferenes programas almacenados en ficeros, permiiendo seleccionarlos y al mismo iempo almacenar los daos medidos en ese momeno, denro de esas funciones se enunciarán las siguienes:

213 A5M: Ficero Sandard. A5I: Ficero Armónicos. A5D: Ficero Perurbaciones. A5F: Ficero Flicker. De odas esas funciones, los ficeros que se seleccionaran mediane los menús de programación para el presene esudio serán A5I y A5F, los cuales son para moniorear Armónicos y Flicker respecivamene Caracerísicas Los analizadores de la serie AR5 son insrumenos de medida programables que miden, calculan y regisran en memoria los principales parámeros elécricos en redes indusriales rifásicas. Medida, mediane res enradas de ensión AC y res enradas de inensidad AC (a ravés de pinzas amperoméricas), permien analizar simuláneamene ensión e inensidad, siempre de las res fases, además de la frecuencia de una deerminada red. Cálculo, mediane un procesador inerno, que obiene el reso de parámeros elécricos: facor de poencia, poencia aciva, poencia reaciva induciva y capaciiva de las res fases, así como las energías aciva y reaciva (induciva y capaciiva).

214 Regisro de los resulados en memoria inerna (56 K o 1 Mb según modelo), para su poserior volcado a un ordenador PC. En dica memoria guarda periódicamene los daos medidos y calculados, con definición enre 1 segundo y 4 oras, programable Funcionamieno. Elección del programa de rabajo. El AR5 puede ener en memoria diferenes programas de funcionamieno. Para elegir que programa se quiere que uilice, se escoge en el momeno de la puesa en marca. Encienda el AR5. En la panalla aparecerá una lisa de programas disponibles. Uilice las eclas [ ] y [ ] para seleccionar el programa que se desea que el analizador uilice. Pulse [ENTER] o espere unos insanes para confirmar que se desea realizar esa operación. Todos los programas disponen de un Seup en el programa ANALYZER o desde cualquier oro programa, esas modificaciones no son válidas desde el programa HARMONIC o a la inversa. Programación del AR5

215 Para enrar en la programación del AR5, se deberá pulsar la ecla [SET]. En ese momeno el analizador requerirá la enrada de un Password consisene en una secuencia de eclas (se dispone de 15 segundos para ingresar esa secuencia): PASSWORD [ ] [SET] [ ] [SET] Una vez inroducido ese Password el analizador permiirá modificar odos los parámeros de Seup. Los parámeros de configuración de cada uno de los programas, es independiene. El realizar una modificación en uno de los programas, no supone el modificar los parámeros de configuración de los oros. Exisen varios MENUS de programación: SETUP DISPLAY RUN FILES CLEAR MENU INICIAL Seleccionar una opción mediane las eclas [ ] y [ ]. Para enrar en una opción de menú, se uiliza la ecla [ ] o [ENTER].

216 Para cerrar el menú [ ] o [ESC]. Si se uiliza esa ecla cuando solo se enga abiero el menú principal, ese cierra. En el caso de aber modificado algún parámero del SETUP, ese cierra, esá precedido por una confirmación de cambio de SETUP. Fig. No Teclado de membrana, con 9 eclas, para la programación y conrol de las disinas opciones del aparao. Menú Seup.

217 El analizador AR5 puede programarse para obener una serie de varianes en su forma de análisis y regisro de resulados, al como se indica en los aparados siguienes: SETUP MEASURE RECORD COMM CLOCK RECALL MENU DE SETUP. La opción MEASURE, permie programar las condiciones de medida: Programación del Tipo de Conexión (Trifásico, Aron) y La relación de Tensión e Inensidad. MEASURE CIRCUIT TR. REL. Trifa, Aron. Relación de ransformación de Tensión Corriene. y - La opción CIRCUIT permie seleccionar enre un sisema TRIFASICO O ARON.

218 - La opción TR. REL. Permie programar las relaciones de ransformación de ensión y corriene. TR. REL. REL. V REL. A Primario y secundario de ensión. Primario de corriene. - REL. V: relación de ransformación de ensión. El equipo pide la relación del primario de ensión, seguidamene la del secundario. - REL A. relación del primario de la pinza amperomérica uilizada. La opción RECORD permie programar las condiciones de regisro: RECORD PERIOD TRIGGER NAME TYPE PARAM :mm:ss (1 s a 4 ó 5 s a 4 ) según ipo de ficero. Level, Time. Nombre ficero (8 caraceres). Tipo de ficero. Parámeros ficero Especial. - La opción PERIOD permie programar al analizador para un periodo de grabaciones, guardando los daos promedio que se an medido durane el

219 periodo de programación. El periodo de grabaciones puede ser de 1 segundo asa 4 oras para ficeros Sandard y Especial (ficeros A5M y A5T). Para los arcivos de Armónicos (ficero A5I) pasa a ser de 5 segundos asa 4 oras. - La opción TRIGGER permie programar una serie de condiciones, de forma que sólo guarde en memoria los regisros cuando se cumplan las mismas. TRIGGER LEVEL TIME Se pueden programar Trigger s de dos ipos: Condiciones de iempo (TIME): FECHA/HORA de ON (inicio medidas), y/o OFF (final medidas). Condiciones para un parámero (LEVEL): permie fijar un umbral de máximo o mínimo a parir de los cuales se realiza el regisro de resulados (que la ensión o inensidad supere un nivel o que sea inferior a oro nivel). Si cumple esas condiciones de programación, el AR5 graba los daos en su memoria inerna.

220 La opción NAME permie definir el nombre del ficero de almacenamieno con un máximo de 8 caraceres sin exensión. La opción TYPE se uiliza para elegir el ipo de ficero que se quiere que el AR5 almacene las variables que lee. Con las eclas [ ] o [ ] se puede elegir el ipo de ficero: Sandard (Variables predefinidas) o Cusom (Variables elegidas por el usuario). La opción PARAM se uiliza para indicar que variables se quiere que queden almacenadas en el arcivo. La opción COMM permie programar los parámeros de ransmisión de daos obenidos por el analizador AR5 acia un PC, la ransmisión de daos se realiza por medio de una salida de comunicación RS-. Para esablecer la ransmisión de daos se debe disponer de un Sofware (Power Vision), en el cual se puede seleccionar: - Pórico de Transmisión (COMM 1 o COMM ). - Velocidad de ransmisión Bis por segundo. - Oros parámeros propios de la ransmisión serial de daos. COMM 9600 NO 8 1 Baud Pariy Long Sop bis

221 La opción CLOCK permie programar el reloj del equipo: feca / ora. Al seleccionar dica opción aparecerán los valores programados acualmene: CLOCK 00/00/00 00: 00: 00 día/mes/año ora:minuo:segundo La opción RECALL permie recuperar la programación por defeco con la que se vienen los analizadores (programación Sandard). RECALL STAND.. Sure? <yes> <no> El equipo nos pide la confirmación para cambiar el Seup. Mediane las eclas [ ] y [ ] se selecciona <yes> o <no>, se pulsa [ENTER] para validar la opción. Menú Display OPTIONS DISPLAY CONTRAST

222 Denro del Menú Display se encuenran los casilleros de [OPTIONS] y [CONTRAST]. [OPTIONS] permie definir las opciones sobre las variables que se mosrarán en la panalla del AR5. OPTIONS MESURE VOLT Bar grap display, Expand. Param ( parámeros). Vfase-fase o Vfase-neuro (Vp-p o Vp-n). La opción [MESURE] permie configurar que variable se quiere represenar gráficamene y el escalado del mismo. Para indicar el escalado, se debe inroducir el valor máximo y mínimo de la gráfica. También permie elegir res variables insanáneas para visualizarlas en el display La opción [VOLT] se uiliza para elegir si en la panalla de visualización de los principales valores de medida, se quiere que ese visualizada la ensión enre fases (Vp-p) o la ensión enre fase y neuro (Vp-n) La opción [CONTRAST] permie variar el conrase del display del AR5. Para incremenar el conrase se uiliza la ecla [ ] y mediane la ecla [ ] se puede disminuir el mismo.

223 CONTRAST DEC INC % Menú RUN Esa opción aciva o desaciva el regisro de daos en memoria. RUN Run / Sop - Mediane las eclas [ ], [ ] se selecciona RUN o STOP. - [ENTER] para validar o [ESC] para salir sin validar. Menú FILES La memoria inerna del equipo va guardando daos asa la oalidad de su capacidad. Una vez esá llena ya no guardará nuevos regisros, ni perderá los que ya iene guardados. Cuando la memoria esá llena, aparece el mensaje de MEMORY FULL. FILES DIR DELETE FORMAT MENU DE FICHEROS

224 Denro del menú [FILES] exisen las opciones: - [DIR] que permie ver los disinos ficeros guardado en la memoria del equipo. - La opción [DELETE] que permie borrar ficeros de la memoria inerna. - La opción [FORMAT] que permie formaear la memoria inerna y borrarla compleamene. Menú CLEAR. Esa opción permie el borrado de daos. CLEAR ENERGY MAX/MIN MENU DE BORRADO DE DATOS Borrado de conadores de energía. Borrado de máximos y mínimos. El menú [CLEAR] dispone de dos opciones para poner a cero esos valores: ENERGY: se uiliza para colocar los conadores de energía a cero. MAX/MIN: esá opción se uiliza para anular los valores máximos y mínimos Aplicación Armónicos.

225 El funcionamieno del analizador de redes AR5 con el Programa Analizador de Armónicos permie el almacenamieno de formas de onda para su poserior esudio con el PC. Desde el mismo analizador, se podrán visualizar disinos parámeros independienemene del regisro. Por ejemplo: Se podrá visualizar la descomposición armónica de una señal, mienras se regisran valores de energía. Desde el PC se puede ver la descomposición armónica de la señal capurada por el AR5. Dependiendo del ipo de ficero escogido ( Harm. 0 o Harm. 50 ) esa descomposición se realizará asa el armónico 0 ó 50. Flicker. Con el programa Flicker, se podrá visualizar y regisrar ano los valores de ensión, corriene, poencia como los valores de Flicker, RMS Flicker, Ps Normas uilizadas para la colocación del analizador de redes AR5. Se deben ener en cuena las normas de insalación que se describen en el Manual del AR5 (Insalación y Puesa en Marca, Formas de Insalación y Caracerísicas Técnicas del Equipo). Con el equipo conecado, los bornes pueden ser peligrosos al aco, y la aperura de cubieras o eliminación de elemenos puede dar acceso a pares

226 peligrosas al aco. Ese equipo a sido diseñado conforme a la norma CEI-48, y se suminisra en condiciones de buen funcionamieno Procedimieno de pruebas de campo uilizando el analizador de redes AR5.

227 Los siguienes pasos idenifican las consideraciones básicas que el Técnico de Campo debe considerar para la realización del esudio de la Calidad de Energía del Campo a su cargo, los pasos básicos son los siguienes: 1. Preparar un diagrama Unifilar del Campo acer analizado, debe incluirse odas las componenes significaivas del sisema, como son: - Los KVA s de corocircuio o la reacancia equivalene del sisema elécrico a esudiar. - En el caso de que exisa generación local, los KVA s nominales de cada generador y el valor de su reacancia subransioria (X d). - El número de generadores que operan en paralelo y su volaje. - La poencia en HP o KW, su X d, el facor de poencia de odos los moores elécricos. - La poencia en KVA s y las impedancias de los ransformadores. - En el caso de que exisan reacores limiadores de corriene, el valor nominal de su poencia en KVA y el de su reacancia. - El valor de la reacancia y resisencia de los cables de poencia. Sino enemos ese dao, enonces necesiamos conocer el amaño y ipo del conducor, su longiud. Todo lo indicado nos ayudará a deerminar la Capacidad de Corocircuio del sisema en el Puno de Acoplamieno Común.

228 . Definir en el diagrama unifilar el puno de acoplamieno común (PCC). Ése puno es donde el variador se coneca con las oras cargas del sisema. Cuando exise solo un variador, el primario del ransformador reducor de volaje es el PCC. Para múliples variadores el PCC será generalmene un solo puno dónde los efecos combinados de los drive s podrían crear problemas.. Luego de definido el PCC, se debe colocar el Analizador de redes siguiendo las medidas de seguridad abiuales, así como las disinas adverencias que a coninuación se indican. Insrucciones de conexión. Anes de conecar el analizador es necesario comprobar los siguienes punos: a) Tensión de alimenación: A ravés del alimenador exerno. Enrada de red 0V AC 15 % / salida al AR5 1 V DC b) Frecuencia: Hz. c) Tensión máxima en el circuio de medida de ensión: 500 V AC fase neuro. 866 V AC enre fases. A ravés de ransformadores de ensión (relación programable). d) Corriene máxima medida: según pinza que se uilice. Con pinza CP a 000 de AC (escala 000

229 Con pinza CPR-1000 Con pinza CPR-500 Con pinza CP-00 (M1-U) Con pinza CP-100 (M1-U) Con pinza CP-5 A) a 00 A de AC(escala 00 A) 10 a 100 A de AC 5 a 500 A de AC a 00 A de AC 1 a 100 A de AC 50 ma a 5 A de CA NOTA: - Se aconseja medir siempre en la pare ala de la escala del analizador para obener mejor precisión. - Si el volaje en el PCC no es de las caracerísicas de ensión de medida del analizador, buscar un puno de referencia de baja ensión para el PCC. Para iniciar las mediciones con el insrumeno: e) Conecar la alimenación del aparao mediane el alimenador 0 V AC / 1 V DC, uilizando los cables suminisrados. Es imporane conecar la oma a ierra par eviar inerferencias sobre el aparao. f) Colocar las pinzas de ensión en cada una de las fases de la red que se quiere medir, y el neuro si esá disponible en la insalación.

230 g) Colocar las pinzas de corriene en los conducores correspondienes a cada fase. Cada fase de corriene iene que coincidir con su fase de ensión. ) Respear las formas de conexión indicadas en los esquemas para obener las lecuras de las poencias, FP, y energías de forma correca.

231

232 Fig. No. 4.. Esquema de conexión rifásico. Para poner en marca el aparao: i) Pulsar el inerrupor <ON>, que se encuenra en el fronal del analizador. Tras la puesa en marca aparece en el display la panalla de presenación del AR5. En ese momeno se permie elegir el programa con el que se desea que funcione el AR5. j) Después de unos insanes, se presena una panalla donde se indica el programa que se a elegido. Aparece ambién el modelo del AR5. k) Después de unos segundos aparecerán en el display los parámeros principales de la red. 4. El seeo del Analizador de Redes para las diferenes mediciones se deberá realizar basándose en la norma del CONELEC No.004/01 (Aparado.1) que nos indica a que inervalo y durane que iempo deben realizarse las mediciones para los diferenes esudios. Es necesario indicar que si los parámeros son consanes (para el caso de EPS: frecuencia, volaje, corriene, orque, ec.), la persona encargada de realizar las mediciones, luego de un análisis preliminar en base a esos daos, puede deerminar a que inervalo y durane que iempo realizará las mediciones. 5. Una vez compleadas las mediciones de la calidad de energía, reire el analizador de redes eniendo presene las medidas de seguridad cuando se rabaja con energía elécrica.

233 6. Calcular la capacidad de corocircuio del sisema en el PCC para cada variador mediane el empleo del diagrama unifilar. 7. Usando la ecuación.1 alle la relación de corocircuio para cada variador en su PCC respecivo. La relación de corocircuio nos sirve para obener los límies de disorsión armónica de corriene expresada en la abla Descargue los daos medidos acia un PC grabando con un nombre que permia idenificar que ipo de mediciones se realizo, Nº de Pozo y Nombre del Campo. 9. Analice y compare los daos de volaje descargados en el PC con la abla No..5 o con la abla No..1 que se refieren a los límies de disorsión armónica oal de volaje para medio y alo volaje respecivamene. 10. Compare los límies de disorsión de corriene de la abla.6 con los daos de corriene descargados en el PC. 11. Para señales elécricas inferiores a la fundamenal (Efeco Flicker), la medida para iempos coros no debe ser mayor a la unidad Toma de daos.

234 La oma de daos en campo fueron realizados en variadores de 6 y 1 pulsos rabajando, la medición de los parámeros se realizo en cada variador corriendo, por una ora en periodos de 0 segundos, pueso que se izo un análisis preliminar, donde las primeras curvas nos dieron como resulado daos consanes (corriene, orque, volaje, poencia, ec.), razón por la cual no enía senido medir 1 oras o más, ya que los daos eran los mismos con ligeras variaciones Enrada al ransformador (400 V) Pozo I-A1 Variador de 6 pulsos. Poencia: 519KVA %THD de ensión: 10.%, %THD de corriene: 7.9%. Armónicos en ensión, predomina el 5o armónico durane odo el periodo de medición, con un valor máximo de 6.4%. Armónicos en corriene, predomina el 5o armónico durane odo el periodo de medición, con un valor máximo de 6.4%. Facor de poencia: Pozo I-A Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA %THD de ensión: 10.7%, %THD de corriene: 1.1%. Armónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.8%.

235 Armónicos de corriene, predomina el 11vo armónico durane odo el iempo de medición con un valor máximo de 7.6%. Facor de poencia: 0.75 Pozo I-0 Variador de 1 pulsos Poencia: 1000KVA %THD de ensión: 10.6%, %THD de corriene: 10.1%. Armónicos de ensión, predominan el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 9.%. Armónicos en corriene, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 6.6%. Facor de poencia: Pozo I-06 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 10.9%, % THD de corriene: 11.% Armónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 9.7%. Armónicos en corriene, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 6.6%. Facor de poencia: 0.97.

236 Pozo I-07 Variador de 6 pulsos. Poencia: 519KVA % THD de ensión: 10.5%, % THD de corriene: 57.8%. Amónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.9%. Armónicos en corriene, predomina el 5o armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 61.1%. Facor de poencia: 0.6. Pozo G-B Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 9.1%, % THD de corriene: 10.7%. Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 8%. Armónicos en corriene, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 5.1%. Facor de poencia: Pozo G-B8 Variador de 1 pulsos.

237 Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 10.9%, % THD de corriene: 11.4%. Armónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 9.%. Armónicos en corriene, predomina el 1vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 5.6%. Facor de poencia: 0.7. Pozo G-B10 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 8.5%, %THD de corriene: 16%. Armónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 5.5%. Armónicos en corriene, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 10.8%. Facor de poencia: Pozo G-B11 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 6.4%, % THD de corriene: 16.1%.

238 Armónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 5.9%. Armónicos en corriene, predomina el 1vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 11.%. Facor de poencia: Pozo G-B Variador de 6 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 10.5%, % THD de corriene: 5.%. Armónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.8%. Armónicos en corriene, predominando el 5o armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 55.9%. Facor de poencia: Pozo G-B6 Variador de 6 pulsos. Poencia: 519KVA % THD de ensión: 10.1%, % THD de corriene 48.%. Armónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.6%.

239 Armónicos en corriene, predomina el 5o amónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 51%. Facor de poencia: Pozo G-B9 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 6.8%, % THD de corriene 17.6%. Armónicos en ensión, predomina el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 5.6%. Armónicos en corriene, predomina el 1vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 1%. Facor de poencia: Pozo D-1 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 7.%, % THD de corriene: 45.9%. Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 6.4%. Armónicos en corriene, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 40.9%. Facor de poencia: 0.44.

240 Pozo D-B1 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 9.5%, % THD de corriene: 11.9%. Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 6.6%. Armónicos en corriene, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 9.6%. Facor de poencia: Pozo D-B9 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 9.5%, % THD de corriene: 9.8%. Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.4%. Armónicos en corriene, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7%. Facor de poencia: 0.75 Pozo A-C5 Variador de 1 pulsos.

241 Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 6.5%, % THD de corriene: 14%. Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 4%. Armónicos en corriene, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 1%. Facor de poencia: Pozo A-C7 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión 8.9%, % THD de corriene 9.1%. Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.%. Armónicos de corriene, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 5.1%. Facor de poencia: 0.5. Pozo A-B4 Variador de 6 pulsos. Poencia: 519KVA % THD de ensión: 11.%, % THD de corriene: 6.4%.

242 Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.1%. Armónicos en corriene, predominando el 5o armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 6.6%. Facor de poencia: Pozo A-A4 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 7.%, % THD de corriene: 11.4%. Armónicos en ensión, predominando el armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de %. Armónicos en corriene, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 9.%. Facor de poencia: Pozo T-B Variador de 6 pulsos. Poencia: 519KVA % THD de ensión: 4.9%, % THD de corriene: 66%. Armónicos en ensión, predominando el 5o armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de.8%.

243 Armónicos en corriene, predominando el 5o armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 70.7%. Facor de poencia: Pozo C-A5 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión: 8.%, % THD de corriene: 8.%. Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 4.6%. Armónicos en corriene, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.9%. Facor de poencia: 0.8. C-A8 Variador de 1 pulsos. Poencia: 1000KVA % THD de ensión 7.%, % THD de corriene 11%. Armónicos en ensión, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 4.%. Armónicos de corriene, predominando el 11vo armónico durane odo el periodo de medición con un valor máximo de 7.9%. Facor de poencia: 0.75

244 XI.- ANALISIS DE RESULTADOS Análisis en la línea de alimenación Disorsión Armónica de volaje

245 % THD Vn en los Variadores 1,0 10,0 8,0 6,0 4,0,0 0,0 I-A1 I-A I-0 I-06 I-07 G-B G-B8 G- B10 G- B11 G- B G- B6 G- B9 D-1 D-B1 D-B9 A-C5 A-C7 A-B4 A-A4 T-B C-A5 C-A8 Fig. No Disorsión armónica oal de ensión producida por los variadores. Análisis de los res armónicos en volaje más alos de cada variador, con respeco a la norma del CONELEC 004/01 ciada en la Tabla No..1. Pozo I-A1 Armónicos más Valor máx. (%) Sobrepasa la norma alos

246 5 6.4 SI NO SI Pozo I-A Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.5 NO SI. SI Pozo I-0 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.9 NO SI.8 SI Pozo I-06 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5. NO

247 SI.0 SI Pozo I-07 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma NO 7.7 NO SI Pozo G-B Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.6 NO SI 1.9 SI Pozo G-B8 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.8 NO SI

248 .4 SI Pozo G-B10 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.1 NO SI 1.7 SI Pozo G-B11 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma NO SI 1. SI Pozo G-B Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5 5. NO 7.9 NO

249 SI Pozo G-B6 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma NO 7.6 NO SI Pozo G-B9 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 7.0 NO SI 1.0 NO Pozo D-1 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.7 NO 7. NO

250 SI Pozo D-B1 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma SI 1.0 NO.1 SI Pozo D-B9 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5. NO SI. SI Pozo A-C5 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma NO 7.5 NO SI

251 Pozo A-C7 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.8 NO 7.6 NO SI Pozo A-B4 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma SI SI.4 SI Pozo A-A4 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.9 NO 11.9 NO.0 SI Pozo T-B

252 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.8 NO 7 1. NO 11.5 NO Pozo C-A5 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5. NO SI.8 SI Pozo C-A8 Armónicos más alos Valor máx. (%) Sobrepasa la norma 5.7 NO SI.6 SI Disorsión armónica de corriene.

253 % THD In en los Variadores 70,0 60,0 50,0 40,0 0,0 0,0 10,0 0,0 I-A1 I-A I-0 I-06 I-07 G-B G-B8 G-B10 G-B11 G-B G-B6 G-B9 D-1 D-B1 D-B9 A-C5 A-C7 A-B4 A-A4 T-B C-A5 C-A8 Fig. No. 5.. Disorsión armónica oal de corriene producida por los variadores Facor de Poencia Un valor bajo o alo de facor de poencia depende, en la mayoría de los casos de la carga del moor. La carga del moor a su vez esá relacionada a la frecuencia y volaje de salida del variador.

254 Análisis en la carga. Disorsión Armónica. En la salida de los variadores, predomina el 5o armónico ano en corriene como en volaje con valores muy alos debido a la disorsión ípica producida por el inversor de salida, que produce una forma de onda de seis pulsos. Pozo I-A1 VOLTAJE CORRIENTE %H5 %THD %H5 %THD L L L Pozo I-A VOLTAJE CORRIENTE %H5 %THD %H5 %THD L L L

255 L L L Pozo I-06 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo I-07 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L

256 Pozo G-B VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo G-B8 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo G-B10 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L

257 Pozo G-B VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo G-B6 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo G-B9 VOLTAJE %H5 %THD %H5 L L L CORRI

258 Pozo D-1 VOLTAJE %H5 %THD %H L L. (H9) L.8 (H5) Pozo D-B1 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo D-B9 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L

259 Pozo A-C5 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo A-C7 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo A-B4 VOLTAJE %H5 %THD %H L L

260 L Pozo A-A4 VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo T-B VOLTAJE %H5 %THD %H L L L Pozo C-A5 VOLTAJE %H5 %THD %H L

261 L L Pozo C-A8 VOLTAJE %H5 %THD %H5 L L L Análisis general. El valor promedio en % THD de volaje para los 6 variadores de 6 pulsos analizados es de 9.6%, la norma CONELEC 004/01 da un 8% como máximo, por lo que como podemos observar en los daos que an solo uno esá denro de la norma. La norma esadounidense IEEE 519 indicada en la abla.6, para Sisemas que aplican conversores nos da un de THD de volaje de 10%, cumpliendo con esa norma solo un variador de 6 pulsos. El valor promedio en % THD de volaje para los 16 variadores de 1 pulsos analizados es de 8.7%, la norma de CONELEC 004/01 indica como

262 máximo de THD de 8%, en los daos se observa que 10 de esos variadores esán fuera de la norma. Para la norma esadounidense IEEE 519 que nos indica un porcenaje de THD de 10%, solo cumplen 1 variadores con dico esándar. El valor promedio en % THD de corriene para los variadores de 6 pulsos analizados es de 4.9%, siendo el máximo valor de THD de 66% del pozo TB-. El valor promedio en % THD de corriene para los variadores de 1 pulsos analizados es de 14.%, siendo el máximo valor de THD de 45.9 del pozo D1 El efeco flicker abarca un rango caracerísico de 0.5 a 0 Hz, debido a que esas flucuaciones de ensión no suelen ener una ampliud superior al ± 10% y se presenan cuando el VSD rabaja a bajas frecuencias, es decir, si el VSD arrancaría a una frecuencia exremadamene baja; la compañía a la que va dirigida ese esudio creyó conveniene no realizar pruebas para ese ipo de perurbación.

263 XII.- XIII.- XIV.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES Los VSD s por esar consiuidos de disposiivos no lineales, enregan a la red corrienes no sinusoidales que se ve reflejada en el volaje de alimenación por la impedancia inerna del variador, esas deformaciones producen la denominada poencia de disorsión la cual disminuye el facor de poencia. Los armónicos caracerísicos de un conversor de 6 pulsos son: el 5o, 7mo, 11vo, 1vo, ec., obenidos en forma eórica mediane la ecuación No y que se pudo comprobar mediane el análisis de Fourier en el aparado , siendo los más problemáicos el 5o y el 7mo según se deermino en el especro de frecuencia. Para conversores de 1 pulsos los armónicos caracerísicos son: 11vo, 1vo, ro, 5o, ec., cumpliendo con la ecuación No y con el análisis de Fourier para ese conversor (aparado ), siendo los de mayor relevancia el 11vo y el 1vo. Aunque las armónicas caracerísicas de conversores de 6 pulsos esán presenes en la enrada de cada conversor individual, en el puno de acoplamieno común son eliminadas, ya que esas poseen signo conrario.

264 Las inducancias de la fuene reducen el valor medio de la ensión en la carga, pero ienen el efeco beneficioso de reducir la magniud de los armónicos de corriene. En la prácica, las corrienes armónicas generadas por los recificadores de 6 y de 1 pulsos ienen diferenes ampliudes a las indicadas en las ablas. y.4 respecivamene, eso es debido al efeco de la inducancia de la fuene y a reacores que se conecan con los mismos. En un variador de velocidad exisen armónicos en la enrada y en la Salida, producidas por el recificador y por el inversor respecivamene. El VSD a la enrada, produce armónicos de corriene que vuelven al sisema de alimenación, su magniud depende del VSD. A la salida del VSD exisen armónicos que fluyen al ESP, la magniud de esos armónicos depende del VSD (para nuesro caso, el inversor es de 6 pasos), la carga y el modo de conrol del inversor. Al variar la corriene de enrada al recificador, varía ambién la ampliud de las armónicas que se inyecan al sisema. No se modifican ni el orden, ni la secuencia de las armónicas presenes, sólo la ampliud de ésas, ya que la forma de onda de las corrienes es sólo suavizada por el ángulo de conmuación. Sin embargo, la variación que se produce en la ampliud no es significaiva.

265 Los VSD s experimenan un aumeno en la disorsión armónica de corriene de enrada, cuando sus volajes de salida disminuyen. Como resulado, el Facor de poencia oal experimena alguna reducción. La conduca del conversor de doce pulsos difiere del de seis pulsos en que sus niveles armónicos de corriene no aumenan grandemene con la disminución de la carga. Un conversor de doce pulsos comparado con uno de seis pulsos puede reducir la corriene de disorsión armónica oal en un promedio de 8% a 0% aproximadamene. En casos donde la capacidad de corocircuio del sisema es más de veine veces mayor que la corriene de carga en el VSD, el conversor de doce pulsos permiirá cumplir en mayor grado con la norma IEEE Un mayor número de pulsos en un conversor, reducirá más los niveles de disorsión armónica de enrada, consiguiendo de esa manera mejorar el facor de poencia ya que se reduce la poencia de disorsión. Para un converidor de un número de pulsos deerminado, la disorsión eórica de volaje decrece cuando la relación de corocircuio se incremena. Es decir, mienras más pequeña sea la poencia del

266 converidor en comparación a la capacidad de corocircuio del sisema, menor será la disorsión que inroduce. El efeco flicker son flucuaciones de volaje de baja frecuencia (conocida como subarmónico), abarcan un rango caracerísico de 0.5 a 0 Hz. Esas flucuaciones de ensión no suelen ener una ampliud superior al ± 10%, por lo que mucos equipos no se ven afecados por ellas. El flicker se percibe en el parpadeo de las bombillas incandescenes conecadas a la red de alimenación que proporciona energía elécrica al EPS. Eso regularmene sucede al arrancar el Sisema de Bombeo Elecrosumergible mediane VSD s que engan el modo de conrol PWM. El principal efeco de una perurbación de onda (armónicos y/o flicker), es la generación de mayor canidad de pérdidas en el sisema de disribución, causando calenamieno de los cables y ransformadores, aciendo que el sisema de disribución se orne insuficiene. Es decir: para ransmiir la misma poencia aciva (en Kilo Vaios), en un circuio con armónicos, necesiamos dimensionar la insalación para una poencia aparene (en K VA) mayor. El calenamieno excesivo del moor puede reducir la vida del ESP. Cuando exise calenamieno adicional en un moor conrolado con un VSD se iene dos facores principales: incremeno de las pérdidas en el

267 bobinado debido a valores superiores de corriene y pérdidas en el núcleo debido a las componenes elevadas de frecuencia. Cuando se emplea un inversor para converir el volaje DC en una forma de onda de CA, la forma de onda resulane nunca es una onda sinusoidal perfeca, sino una aproximación. Eso significa que oras componenes de frecuencia esán presenes, o en oros érminos, la onda presene en el moor esá disorsionada. Por consiguiene, los valores de corrienes oales cuando opera un moor con un VSD son más alos que los valores de línea correspondienes. Ese aumenó del nivel de corriene produce alas pérdidas de resisencia en los bobinados del moor 6..- RECOMENDACIONES: Para la conexión de los variadores de frecuencia de 6 pulsos es recomendable que el primario del ransformador que alimena al VDS ese en conexión dela y el secundario de dico ransformador se conece en esrella (o en esrella dela), debido a que mediane esa conexión la roación de las armónicas de orden (k*6±1) para valores impares de k, es decir la 5a, 7ma, 17ma, 19na, ec., difiere, por lo ano se obiene una forma de onda más sinusoidal. La alimenación de un VSD de doce pulsos se debe realizar mediane un ransformador desfasador o a ravés de dos ransformadores. En ambos casos, la conexión de alimenación del recificador debe ser uno en

268 esrella y el oro en dela. Eso produce un desfase de 0 en los volajes de alimenación. Es recomendable usar conversores de pulsos múliples (1, 18, 4 pulsos), con lo cual se consigue reducir los límies de corriene armónica producidas por los VSD s. Pueso que una fuene de perurbaciones puede afecar a las demás cargas que comparan el mismo puno de acoplamieno común. Para mediciones de armónicos en VSD s de 1 pulsos, es recomendable que la medición se realice en el primario del ransformador de alimenación, ya que en ese lado se verá las formas de ondas de ese ipo de conversor que son resulado de la superposición de las ondas de las conexiones en esrella y en dela de los secundarios del ransformador desfasador que alimenan a cada recificador. Es recomendable de ser posible insalar VSD s de mayor canidad de pulsos para el arranque y conrol del equipo elecrosumergible, ya que esos conribuyen con menor disorsión armónica a la forma de onda fundamenal, como se indico en ese esudio. Procurar rabajar con los variadores funcionando a frecuencia y volaje nominal, pues en ese caso, la disorsión armónica disminuye y el facor de poencia aumena.

269 Con el desarrollo de esa esis se deermino en forma analíica y maemáica como los diferenes bloques de conversión del VSD (Recificador e Inversor) generan los armónicos ano al PCC, como al moor elecrosumergible. Luego de finalizado ese esudio, se recomienda que se realice el esudio e implemenación de los diferenes disposiivos uilizados para eliminar o absorber los armónicos producidos ano por el recificador como por inversor de un VSD.

270 BIBLIOGRAFIA IEEE: RECOMMENDED PRACTICES AND REQUIREMENTS FOR HARMONIC CONTROL IN ELECTRICAL POWER SYSTEMS ; IEEE STD CONELEC: REGULACION No. 004/01. Variable Speed Drives: DEFINITIONS, APPLICATIONS COMPARISONS. Elecrospeed GCS: TROUBLESHOOTING & APPLICATIONS GUIDE. TRANSFORMADORES, CONVERTIDORES, Enciclopedia CEAC de Elecricidad. Har D, ELECTRONICA DE POTENCIA, Pearson Educación, S. A., Prenice Hall, España, 001. Benaven J: ELECTRÓNICA DE POTENCIA, TEORÍA Y APLICACIONES, Universidad Poliécnica de Valencia, Alfaomega, México, Analizador de Redes AR5, MANUAL DE INSTRUCCIONES.

271 González F, CALIDAD DE LA POTENCIA ELECTRICA, Primera Edición, Guaemala, Enlaces: p:// p:// p:// p:// p:// p://mw.e-ecnik.uniulm.de/world/lere/basic_maemaics/fourier_es/node.pp

272 ANEXOS Explicación 6 y 7 de los Anexos B4 y B6 respecivamene, para la conexión Yd11. Del diagrama de conexión Yd11 (Anexo B4 y B6) planeamos las siguienes ecuaciones: isec 1 isec i1 A isec isec i1b isec isec 1 i1 C i i i Sec1 Sec Sec i i 1A 1B 1C i 0 0 Las ecuación 1 a son obenidas mediane el análisis de nodos en el secundario del ransformador de alimenación. Las ecuaciones 4 y 5 son resulado de la condición de un sisema balanceado.

273 De la ecuación : isec 1 isec i1 C Ecuaciones 1 + 6: i i Sec1 i i Sec 1A Sec1 Sec 1C isec 1 i1 A i1 C isec isec i i Enonces: i Sec1 i1 A i1 C isec isec De la ecuación 4: i i Sec Sec Sec1 i Ecuaciones 7 + 8: i Sec1 i1 A i1 C isec 1 isec 1 i1 A i1 C

274 i Sec1 i 1A i 1C El mismo análisis se realiza para las corrienes i Sec e i Sec obeniendo las siguienes relaciones aplicadas para las corrienes de fase del secundario: i i Sec Sec i 1B i 1C i 1A, e i 1B

275 Anexo C.1 TENSION MEDIA DE SALIDA DEL RECTIFICADOR DE 6 PULSOS De la ecuación.4: p 180 º V O v. sen p. max (Ec..4) De donde: V O: Tensión media en la carga. p: Número de pulsos del conrolador. v m ax : Es el volaje pico de la forma de onda. La ensión media en la carga resula de la inegración del volaje proveniene de la eapa conversora, es decir: el volaje recificado que ingresa a la barra DC. Conversor de 6 pulsos:

276 V O Vmax 1C1B 1A1B 1A1C 1B1C 1B1A -Vmax

277 Fig. No. 1. Volaje recificado (Vo) Valor medio del volaje recificado V dc 1 T T 0 v( ). d V O 1 V max sen( ). d V O 1 Vrms.. sen( ). d V O.. Vrms sen( ). d V O.. Vrms cos( ) V O.. Vrms cos cos

278 V O.. Vrms cos.cos( ) sen. sen( ) cos. V O.. Vrms cos.cos( ) cos.cos V O.. Vrms 1.cos( ) 1.cos V O.. Vrms 1.cos( ) 1.cos V O.. Vrms cos( )

279 ANEXO C. TENSION MEDIA DE SALIDA DEL RECTIFICADOR DE 1 PULSOS Mediane la ecuación.4 obenemos el valor de la ensión media en la carga, la que cia nuevamene: p 180 º V O. v max. sen p Donde: V O = Tensión media en la carga. P = Número de pulsos del conrolador. v m ax = Es el volaje pico de la forma de onda. La ensión media en la carga resula de la inegración del volaje proveniene de la eapa conversora, es decir del recificador 1 y del recificador (Figura.7).

280 Vo V 1B CB 1A1B AB 1A1C AC 1B1C max BC 1B1A BA 1C1A CA 1C -V max Las salidas de los dos puenes recificadores son similares pero desfasadas 0º (ransformador desfasador) lo que produce que la ensión oal de salida de la eapa conversora que ingresa a la barra DC sea más coninua. La opología inerna del VSD de 1 pulsos consise en la conexión en paralelo de los dos recificadores de 6 pulsos, dado que se produce una ransición enre los SCR en conducción cada 0º, ay un oal de 1 ransiciones para cada periodo del generador de alerna, obeniendo una forma

281 de onda de salida como la indicada en la figura.56a cuya magniud queda expresada en la siguiene ecuación: V O 1. v max. sen(15º ).cos

282 Anexo D.1 Explicación del Facor de Poencia y de la corriene eficaz para el recificador de 6 pulsos en conexión Yy0. Facor de poencia: FP Poencia media en la carga: P S P V O. I O Volaje máximo de línea: Donde v max v 1A1B. v 1 A1B Volaje rms Tensión media en la carga: V O p 180 º. v max. sen.cos p V O. v 1A1B..cos

283 Poencia de enrada: S. v rms. i rms De la figura 1 deerminamos que la relación de rabajo para ese ipo de ondas es: IO -I O Fig. No. 1 Relación de Trabajo del Conversor de 6 a T pulsos El valor eficaz para la corriene será enonces: I rms. I O

284 Por lo ano: rms I ( O * ) I. De la ecuación número 1, FP P S V. I O. v rms O. I rms. v 1A1B. v. 1A1B.cos. FP.cos Corriene media en la carga I O.cos. V O. S

285 (*) Valor de Irms mediane inegración de la Forma de onda, Anexo D..

286 Anexo D. Corriene eficaz de salida del recificador de 6 pulsos en conexión Yy0 + Kj +jkl lk l Fig. No. 1 Corriene de Enrada al VSD de 6 Pulsos T rms d f T f 0 ). ( 1 / 5 / 4 / /. ) (. ) (. ) ( 1 d I d I d I I O O o O rms / 5 0 / 4 / / 0 1 d I d I d I I O O rms / 5 / 4 / / 0 I I O rms 5 4 O rms I I 4 O rms I I

287 I I 4. I O rms. rms I O I. rms I O

288 Anexo D. Explicación del Facor de Poencia y de la corriene eficaz para el conversor de 6 pulsos conexión Dy11. Facor de poencia: FP Poencia media en la carga: P S P V O. I O Volaje máximo de línea: Donde: v 1 A1B v max Volaje rms v 1A1B. Tensión media en la carga: V O V O p 180 º. v max. sen.cos p. v 1A1B..cos v1a 1B.. sen. cos 6

289 Poencia de enrada: S. V rms. I rms La figura 1, represena la corriene de enrada al VSD de 1 pulsos, la cual es el resulado de la conexión Triángulo - Esrella del ransformador de alimenación. i 1 Io' Io' Io' Io' Fig. No. 1 Corriene de Enrada al VSD de 6 Pulsos Valor Eficaz de la corriene de enrada al VSD en conexión Dy11. f rms 1 T T 0 f ( ). d

290 I I I I I I rms rms rms ( I ( I * ( I O O rms ( I O rms rms O ') ') ') ').( I O ') 1 o 1 6 ( I O d 8 '). d 4 ( I 1 4 O ') 1 (. I 1 O 4. d '). d ( I O ') ( I O d '). d I rms.( I O ') Tomando la ecuación.4 escria en el capíulo donde nos indica que: I O ' I O Reemplazo I O '

291 I. rms I O Uilizando la ecuación No. 1 del presene anexo, definimos el facor de poencia: FP FP P S.cos V. I O. V rms O. I rms. v 1A1B. V. 1A1B.cos.. I. I o O Por lo ano la corriene media en la carga será: I O.cos. V O. S

292 Anexo D.4 Explicación de la corriene eficaz y media para el conversor de 1 pulsos. Facor de poencia: FP P S Poencia media en la carga: P V O. I O v Volaje máximo de línea: max v 1A1B. Donde: v 1 A1B Volaje rms Tensión media en la carga: p 180 º 1 V O. v max. sen.cos VO. v 1.. p 1 A B se V O 1. v 1.. sen(15).cos A1B Poencia de enrada:

293 S. V rms. I rms La figura 1 represena la forma de onda de corriene del VSD de 1 pulsos, que es el resulado de la superposición de las formas de ondas de las corrienes de enrada a cada uno de las eapas recificadoras del variador de 1 pulsos: i1 Fig. No. 1. Forma de onda de Corriene del conversor de 1 pulsos A coninuación se indican las formas de onda de enrada producidas por cada uno de los recificadores correspondienes a cada secundario del ransformador desfasador en conexión: Triángulo Triángulo y Triángulo Esrella, según se indican en las figuras y respecivamene.

294 i1 I O I O Fig. No. Forma de onda de Corriene debida a la conexión Triángulo Triángulo. I I -I i 1 O' O' O' -IO'

295 Fig. No. Forma de onda de Corriene debida a la conexión Triángulo Esrella. En base a los Anexos D: Yy0 y Dy11, se conoce el valor eficaz de las figuras y del presene anexo, quedando la magniud de la corriene eficaz en el primario del ransformador de enrada expresado en la siguiene ecuación: I.. rms I O La corriene recificada (enrada a la barra DC), es la suma de la corriene I O1 proveniene del recificador 1 e I O que es la corriene de salida del recificador (Figura.7) por la conexión en paralelo de dicos recificadores; por lo ano la corriene oal enregada por la eapa conversora es la indicada por la ecuación: I O I I O1 O

296 De esa manera, en forma maemáica el valor de I O será: I O 6.cos. V O. S

297 Anexo F. FORMAS DE ONDA EN LOS SCR s DEL RECTIFICADOR A DIFERENTES FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO DEL VARIADOR

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