armonicos en sistemas eléctricos issa buemna

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    12-Jun-2015

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<p> 5 2 0 2 1 1 ( 5 6 3 2 ) 3 3 2 5 4 0 . . </p> <p>2</p> <p>INDICE1 ARMNICAS EN SISTEMAS ELCTRICOS 1.1 Introduccin 1.2 Qu son las armnicas? 1.3 Conceptos Generales 2 ORIGEN DEL PROBLEMA: FUENTES DE ARMONICAS 2.1 Seales de frecuencias menores a 50 [Hz] 2.2 Seales de frecuencias mayores a 50 [Hz] (Armnicas) 2.3 Conversores Estticos de Potencia 3 ESTUDIO DE CALIDAD DE SERVICIO ELCTRICO. 3.1 Objetivos 3.2 Registros 3.3 Resultados 4 RESUMEN DE PRINCIPALES FUENTES GENERADORAS DE PROBLEMAS DE ARMNICAS. 4.1 Fuentes de Poder Switching. 4.2 Variadores de Velocidad 4.3 Cuadro Resumen de Efectos de Armnicas en Equipos e Instalaciones. 5 FILTRO ACTIVOS DE ARMNICAS 5.1 5.2 5.3 5.5 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Introduccin Propiedades de los filtros activos paralelos Diseo y aplicacin de filtros activos Formas de ondas tpicas INTERARNICAS Y FLUCTUACIONES DE VOLTAJE Introduccin Qu son las interarmnicas? Fuentes de Interarmnicas Impactos de las Interarmnicas Definicin y Concepto de Flicker Ejemplo de un Arco Elctrico</p> <p>5.4 Funcionamiento</p> <p>3</p> <p>1. ARMNICAS EN SISTEMAS ELCTRICOS INDUSTRIALES1.1 INTRODUCCIN. La presencia de las armnicas en sistemas elctricos de potencia de baja Tensin ha sido reconocida por muchos aos. Eso, sin embargo, solamente en tiempos recientes, la proliferacin de aparatos generadores de armnicas ha aumentado hasta tal grado que alguna atencin debe ser dada al problema. Convencionalmente los sistemas elctricos de potencia son diseados para operar con voltajes y corrientes sinusoidales. Sin embargo, las cargas no lineales y electrnicamente conmutadas pueden distorsionar el estado estacionario de la forma de onda. La propagacin de las armnicas en los sistemas elctricos puede tener como resultado un incremento en las prdidas y posiblemente una merma de vida til de los equipamientos, interferencia en el control y proteccin de equipos. 1.2 QU SON LAS ARMNICAS? La problemtica de las perturbaciones armnicas en redes elctricas tiene diversas caractersticas entre las cuales es importante destacar su naturaleza estocstica. En efecto, tanto en el punto de inyeccin de estas componentes armnicas, como en su propagacin a travs de toda la red elctrica se puede apreciar esta naturaleza. Los desequilibrios de fase en la red tambin contribuyen a que los convertidores presenten una mayor contribucin en la generacin de componentes armnicas. Algunas definiciones referentes a las armnicas: a. Entorno Electromagntico: conjunto de fenmenos electromagnticos que existen en un lugar dado. b. Compatibilidad Electromagntica: es la capacidad de un equipo o dispositivo para funcionar sin de manera satisfactoria en su entorno ese electromagntico, c. Nivel de producir perturbaciones intolerables es el para</p> <p>entorno, incluyendo otros equipos o dispositivos. Compatibilidad Electromagntica: nivel mximo especificado de perturbaciones electromagnticas, al cual puede esperarse</p> <p>4</p> <p>que sea sometido un dispositivo, aparato o sistema funcionando en condiciones particulares. d. Nivel de Emisin: es el nivel de una perturbacin electromagntica, emitida por un dispositivo, aparato o sistema en particular. e. Lmite de Emisin: es el valor mximo especificado del nivel de emisin de una fuente de perturbacin electromagntica. f. Nivel de Inmunidad: es el nivel mximo de una perturbacin electromagntica de forma que acta sobre un aparato, dispositivo o sistema para lo cual ste permanece capaz de funcionar con la calidad deseada. g. Lmite de Inmunidad: es el valor mnimo especificado del nivel de inmunidad. h. Componente Fundamental: es la componente de orden uno (1) del desarrollo en serie de Fourier de una onda peridica. i. j. Componente Armnica: es aquella componente de un orden superior a 1 del desarrollo en serie de Fourier de una forma de onda peridica. Orden de una componente Armnica: es el nmero entero obtenido del cuociente entre la frecuencia de la componente armnica y la frecuencia de la componente fundamental. k. Tasa de una Componente Armnica k: es el valor obtenido del cuociente entre el valor efectivo de la k-sima componente armnica y el valor efectivo de la componente fundamental de la forma de onda. l. Punto de Conexin Comn a la Red Elctrica (PCC): es aquel punto situado en la red de suministro elctrico ms cercano elctricamente del consumidor, en cuya instalacin est o puede estar conectado un aparato, y al que pueden estar conectadas otras instalaciones. m. Armnicas de Tensin: es una tensin sinusoidal con una frecuencia igual a un mltiplo entero de la frecuencia fundamental del voltaje de suministro. Las armnicas de voltaje en un sistema de suministro son causadas principalmente por las corrientes armnicas que fluyen a travs de las impedancias del sistema. Las armnicas de corriente son generadas predominantemente por los equipos de los consumidores finales cuyas caractersticas de tensin/corriente son no lineales.</p> <p>5</p> <p>n. Tensin Interarmnica: es una tensin sinusoidal con una frecuencia entre armnicas, es decir, la secuencia no es un mltiplo entero de la fundamental. o. Evaluacin Global de las Armnicas: el ndice ms utilizado es el THD o Distorsin Total armnica</p> <p>THD =</p> <p>Uk =2</p> <p>N</p> <p>2 k</p> <p>U1</p> <p>Donde Uk es la componente armnica k-sima y U1 es la componente fundamental. p. Fuentes Inyectoras de Armnicas: Soldadoras y Hornos al Arco, Frecuencia, Cargas monofsicas no lineales. q. Fluctuacin de Tensin: pueden describirse como una variacin cclica de la envolvente de la forma de onda de la tensin o como una serie de cambios aleatorios de la tensin, tal que la magnitud normalmente no excede el rango del 10%. r. Fuentes de Fluctuaciones: Mquinas soldadoras, Grandes motores con carga variable, Conexin y desconexin de grandes cargas, Conexin y desconexin de bancos de condensadores.</p> <p>Rectificadores, Variadores de</p> <p>s. Efectos de la Fluctuaciones: en general las fluctuaciones tienen una amplitud inferior al 10% y por lo tanto la mayora del equipamiento supera sin problemas estas perturbaciones. t. Flicker o Parpadeo: la definicin es impresin subjetiva de luminosidad fluctuante. Es decir, se trata de un fenmeno de variacin en el tiempo de la luminosidad, y su importancia radica en que esta variacin puede afectar al ser humano desde una simple molestia (el conjunto ojo-cerebro) hasta una enfermedad. 1.3 CONCEPTOS DE ARMNICAS.</p> <p>6</p> <p>Entender el significado que es dado a una forma de onda distorsionada puede ser facilitado si se conoce la composicin de frecuencias de la onda. El Efecto de varias armnicas es mostrado en la figura 1. Bajo condicin de estado estacionario peridico, la forma de onda de corriente y tensin desformada pueden ser expresados por la serie de Fourier. La serie de Fourier para una funcin f(t) peridica con frecuencia fundamental w puedef (t ) = C0 + Cn cos( nt + n )</p> <p>ser representada como: Los coeficientes Cn y ngulo de fase n para la n-sima armnica estn dados por:Cn =2 2 An + Bn</p> <p>n = tan 1 ( Bn / An )</p> <p>Donde T=2 / y C0 es la componente continua de la funcin.</p> <p>Figura 1: Distorsin de la forma de onda</p> <p>7</p> <p>2</p> <p>ORIGEN DEL PROBLEMA: FUENTES ARMNICAS La proliferacin de los dispositivos de electrnica de potencia ha influido</p> <p>notablemente en el aumento del nivel de armnicas en las redes elctricas. Este aumento de la contaminacin elctrica o distorsin de las formas de onda de tensin y corriente debido a las armnicas de frecuencias distintas a la fundamental, se debe al desarrollo y perfeccionamiento de los semiconductores de potencia que ha motivado la utilizacin de aparatos como conversores estticos, dada su eficiencia y fiabilidad en el control de la energa elctrica. As como tambin hornos de arcos, debido a sus caractersticas especiales para fundir metales y otros dispositivos de electrnica de potencia que tienen un comportamiento no lineal. Los niveles de perturbacin armnica de estas fuentes se pueden clasificar en dos categoras, la primera en un rango de frecuencias armnicas menores que la fundamental (50 [Hz]) y que slo ser nombrada, la segunda corresponde a las frecuencias mayores que 50 [Hz]). 2.1 Seales de frecuencias menores a 50 [Hz]</p> <p>Si algn equipo produce este tipo de seal, llamadas tambin subarmnicas, stas podran ocasionar parpadeos luminosos perceptibles que son molestos para el ojo humano (por ej. Flicker, rango 0.1 a 25 [Hz]). 2.2 Seales de frecuencias mayores a 50 [Hz] (Armnicas) El origen de las seales perturbadoras en los sistemas de distribucin industrial -que producen un aumento en la distorsin de voltaje y corriente del sistema- se debe a los siguientes factores: cuales El aumento en la utilizacin de equipos de electrnica de potencia, los tienen caractersticas de voltaje y corriente no sinusoidales,</p> <p>comportndose como verdaderas fuentes que inyectan corrientes armnicas al sistema. Entre estos aparatos se encuentran los rectificadores, inversores, convertidores de frecuencias, compensadores estticos de reactivos y cicloconversores.</p> <p>8</p> <p>El incremento en la aplicacin de los bancos de condensadores, ya sea</p> <p>para corregir factor de potencia o regulacin de voltaje, los cuales pueden estar ubicados prximos a fuentes generadoras de armnicas propiciando la condicin de resonancia, la cual puede magnificar el nivel de armnicas existente. 2.3 Conversores Estticos de Potencia Se entender como conversores estticos de potencia a los aparatos basados en dispositivos electrnicos de estado slido (diodos y tiristores) que pueden ser equipos rectificadores, convertidores de frecuencia, inversores, cicloconversores y compensadores estticos de potencia reactiva.</p> <p>Los conversores de potencia estn presentes en la industria en muchas formas y aplicaciones. En potencias elevadas estos conversores exhiben elevados ndices de disponibilidad, confiabilidad y rendimiento a costos razonables. Su campo de aplicacin cubre desde rectificacin de altas corrientes (electrorefinacin), hasta accionamiento de grandes mquinas en continua o alterna (cicloconversores). Todos estos equipos tienen una caracterstica comn que es requerir o absorber corriente del sistema que es no sinusoidal. Por lo tanto, todos ellos son gobernados por las mismas leyes bsicas que permiten un anlisis de su comportamiento. Durante el funcionamiento normal de estos equipos, aparecen armnicas de tensin y/o corrientes en las redes. Para el caso de los rectificadores por ejemplo, se generan armnicos tanto en el lado de continua como en el alterno, donde las del lado continuo son del orden: h=k*p y las del lado alterno son del orden: h=k*p1 siendo</p> <p>9</p> <p>h : orden de armnico p : nmero de pulsos del rectificador k : un entero positivo 1, 2, 3 .... Luego, se tienen que por cada armnico en el lado continuo existen dos en el lado alterno, siendo los del lado alterno los ms perjudiciales para el sistema.</p> <p>33.1</p> <p>ESTUDIO DE CALIDAD DE SERVICIO ELCTRICO.Objetivos</p> <p>Evaluar la calidad de potencia elctrica a la que estn sometidos los equipos de una sub-estacin o barra(s) de alta/baja tensin, en particular regulacin de tensin, magnitudes de distorsin armnica, flicker y maniobras de conexin/desconexin. 3.2 Registros</p> <p>Se registran magnitudes instantneas de tensin y corriente a travs de transformadores de tensin (T/P) y de corriente (T/C), con los equipos de medicin y registro siguientes:</p> <p>Instrumento de 8 canales, de registro permanente para conocer las</p> <p>variaciones en funcin del tiempo de valores RMS*, Distorsin Armnica Total (THD) y Componentes Armnicas principales de las Tensiones y Corrientes Trifsicas. Computador PC Notebook con tarjeta A/D de 8 canales, 12 bits,</p> <p>frecuencia de muestreo mxima de 100 kHz, 72 db de rango dinmico y capacidad de anlisis numrico para un estudio detallado mediante registros ("fotos") tomados durante condiciones de especial inters (a definir segn las caractersticas de la operacin) y para anlisis de FLICKER con registros de 15 minutos de duracin. 3.3 Resultados</p> <p>10</p> <p>Se entrega un Informe de Calidad de Servicio (ver nota*) con los siguientes resultados: Validacin de la instrumentacin de alta tensin mediante correlacin</p> <p>(coherencia) de valores de tensin y corriente. Esto permite decidir en propiedad la conveniencia o no de utilizar instrumentacin de alta tensin especial, por ejemplo un divisor capacitivo. Grficos en funcin del tiempo de las magnitudes por fase, presentes</p> <p>durante todo el perodo de registro: RMS*, Distorsin Armnica Total (THD) y Componentes Armnicas principales de cada una de las tensiones y corrientes trifsicas. Anlisis numrico detallado de los registros ("foto") tomados durante</p> <p>diversas condiciones de operacin y maniobras de conexin/desconexin de equipos, incluye grficos de formas de onda, anlisis espectral y de componentes armnicas, diagramas fasoriales de frecuencia fundamental (50 Hz.) y de armnicas principales. Resultados de Flicker de acuerdo al "mtodo RMS" (de actual utilizacin</p> <p>en los contratos de abastecimiento de energa elctrica). Adicionalmente se entregan los archivos con los datos "en bruto" (raw data) para su anlisis con otros mtodos (por ejemplo norma IEC). Anlisis actual de lmites de armnicas segn la recomendacin IEEE</p> <p>519, para las tensiones y corrientes de la barra(s). Anlisis de las tensiones y corrientes de las maniobras registradas,</p> <p>incluyendo tiempos efectivos de cierre/apertura elctrica, magnitudes mximas medicin del nivel real actual de cortocircuito de la barra(s) y estimacin de la respuesta de frecuencia de la impedancia Z(w) de la red. Nota (*): Se indica el contenido tpico, en la prctica puede cambiar segn las necesidades de cada caso particular. El informe de calidad de servicio adems incluye recomendaciones de operacin, etc., y posibles soluciones a los problemas detectados.</p> <p>11</p> <p>4 RESUMEN DE PRINCIPALES FUENTES GENERADORAS DE PROBLEMAS DE ARMNICAS.4.1 Fuentes de Poder Switching. Una variedad de equipos electrnicos se energizan internamente por fuentes de poder DC. En los primeros diseos de fuente de alimentacin, la fuente de alimentacin monofsica comn era lineal. En la Figura 1-1, se muestra un esquemtico de una fuente de alimentacin lineal, la etapa rectificadora utiliza un transistor (no mostrado) que opera en su regin activa. Comparativamente hablando, la fuente de alimentacin lineal tiene prdidas altas de potencia (eficiencia total en el rango del 30 al 60%). Adems, el</p> <p>La c</p> <p>C</p> <p>d c</p> <p>transformador representa un peso importante de la fuente de alimentacin. Figura 1-1: Fuente de Poder Monofsica Lineal La Figura 1-2 muestra un esquemtico de una fuente de alimentacin del tipo Switching. El cambio de voltaje a DC se logra mediante los circuitos de convertidor DC - a - DC que emplean transistores o MOSFETS para realizar la conmutacin (ON - OFF). La diferencia con la fuente de alimentacin lineal es que los dispositivos transistorizados no tienen que operar en su regin activa, lo que se traduce en prdidas reducidas de potencia. mejorado eficiencia total (en el rango de 70 a 90%). En este diseo, el transformador se ha...</p>