CALIDAD DE ENERGÍA · Existen de dos tipos… • Absorción (sintonizado): Se diseñan...
Transcript of CALIDAD DE ENERGÍA · Existen de dos tipos… • Absorción (sintonizado): Se diseñan...
División Peninsular
Calidad de Energía.
La calidad de la energía se entiende cuando la energía eléctrica essuministrada a los equipos y dispositivos con las características ycondiciones adecuadas que les permita mantener su continuidad sinque se afecte su desempeño ni provoque fallas a sus componentes.
Podemos decir que existe un problema de calidad de energíaeléctrica cuando ocurre cualquier desviación de la tensión, lacorriente o la frecuencia que provoque incorrecta operación de losequipos de uso final y deteriore el bienestar del usuario.
• Voltaje.
• Amperaje.
• Frecuencia.
• Forma de onda.
División Peninsular
Calidad de Energía.
En México se cuenta con la “ Ley del servicio público de energía eléctrica ysu reglamento 1993 ” que define las condiciones de suministro de laenergía eléctrica, estableciendo en el capítulo V artículo 18 del suministro yventa de energía eléctrica que “ El suministrador de energía eléctricadeberá ofrecer y mantener el servicio en forma de corriente alterna en una,dos o tres fases, a las tensiones alta, media y baja disponibles en la zona deque se trate observando que:
• La frecuencia sea de 60 Hz, con una tolerancia de 0.8 % en mas omenos.
• Que las tolerancias en el voltaje de alta, media o baja tensión, noexcedan de 10% en mas o en menos y tiendan a reducirseprogresivamente.”
División Peninsular
Impacto de la calidadde energía.
• Perdidas de producción.
• Desperdicios de materia prima.
• Costo de mantenimiento.
• Daños a equipos.
• Incremento en el consumo de energía.
División Peninsular
Importancia de lacalidad de energía.
• ¿Cuánto cuesta el paro de una máquina por mala alimentación?.
• ¿Cuanto cuesta reprogramar PLC?.
• ¿Cuanto cuesta una tarjeta de un drive?.
• Equipo de producción vs Equipo de protección.
División Peninsular
Elementos que afectan lacalidad de la energía.
• Externos
– Ambientales:
• Tormentas y rayos.
– Fallas de suministro:
• Switcheos.
• Sags (abatimiento de voltaje).
• Swell (elevación de voltaje).
• Internos
– Uso de Electrónica:
• De potencia.
• De control.
– Fallas de Mantenimiento:
• Sistema de tierra.
División Peninsular
Puntos de calidad deenergía.
1. Regulación de voltaje.
2. Transitorios de voltaje.
3. Armónicos.
4. Ruido de alta frecuencia.
5. Sistema de tierra física.
División Peninsular
1ro. Punto: Regulaciónde voltaje.
Identificación…
Se presenta cuando el voltaje supera de formaconstante los márgenes más o menos 10 %del voltaje nominal de operación de losequipos.
División Peninsular
1ro. Punto: Regulaciónde voltaje.
Causas…
– Variaciones en la Red Eléctrica durante los horarios base, intermedia y punta.
División Peninsular
1ro. Punto: Regulaciónde voltaje.
Efectos…
– Daño a equipo sensible al voltaje como son tarjetas, CP, PLC, entre otros.
– Disparo de alarmas por voltaje.
División Peninsular
1ro. Punto: Regulaciónde voltaje.
Soluciones…
– Ajuste del TAP de transformadores (5 posiciones mas o menos 2.5%).
– Reguladores de voltaje en sitio.
– Reguladores de voltaje en circuitos.
– UPS:
• Honda rectangular y sinusoidal.
• Simple conversión.
• Doble conversión.
División Peninsular
2do. Punto: Transitorios devoltaje.
Identificación…
– Un sobre voltaje “Pico” o disturbio en la forma de onda de voltaje.
– Menos de 100 microsegundos de duración.
– Puede alcanzar valores de miles de volts.
– Puede resultar en instantes de flujo de corriente de miles de amperes.
– Es altamente destructivo.
División Peninsular
2do. Punto: Transitoriosde voltaje.
0° 90° 180° 270° 360°
~100 µSec
Un Ciclo (16667 µSec)
División Peninsular
2do. Punto: Transitoriosde voltaje.
Causas…
– Descargas atmosféricas.
– Swich´s de carga en la red externa.
– Swich´s de cargas internos.
– Swich´s de SCR.
División Peninsular
2do. Punto: Transitoriosde voltaje.
• 80% Causas internas (baja intensidad).– Corrientes de magnetización de transformadores.
– Swich´s de carga de motores.
– Drives de frecuencia variable.
– Transferencias automáticos de swich de operación.
– Swicheo de cargas.
• 20 % Causas externas (alta intensidad).– Rayos y vientos.
– Swich´s de cargas en la red externa.
– Corrección del Factor de Potencia.
– Accidentes.
División Peninsular
2do. Punto: Transitoriosde voltaje.
• Como entran en el sistema de distribución.
– Descargas atmosféricas entre nubes cerca de un grupo de conductores.
– Descarga atmosférica directa a los conductores.
– Descarga atmosférica directa a la tierra.
División Peninsular
2do. Punto: Transitoriosde voltaje.
• Como se presentan en un sistema de distribución.
– De línea a neutro en las fases A, B y C.
– De línea a tierra en las fases A, B y C.
– De neutro a tierra.
División Peninsular
2do. Punto: Transitoriosde voltaje.
Efectos…• Daños instantáneos a equipos, grandes picos
pueden romper las uniones de lossemiconductores o arqueo entre componentes.
• Daños latentes a equipos, la acumulación depicos degrada las uniones de lossemiconductores ocasionando fallas.
• Causa disruptions y lockups en computadoras ymicroprocesadores, alteran los niveles lógicoscausando operación erróneo e inhibición en losequipos.
• Costos de reparación y paros.
División Peninsular
2do. Punto: Transitoriosde voltaje.
Soluciones…
• Instalación de equipos supresores de sobre voltajes transitorios (TVSS).
Carga
TVSS
VOLTAJE DE CORTE
VOLTAJE DE CORTE
Fuente
División Peninsular
2do. Punto: Transitoriosde voltaje.
Soluciones…
• Se recomienda en tres niveles:– Subestación eléctrica tableros
principales, TVSS con capacidad de 300 kA de corto circuito.
– Tableros de distribución, TVSS con capacidades de 140 kA de corto circuito.
– Tableros de control o equipos finales, TVSS con capacidades de 10 kA de corto circuito.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Identificación…
• Las armónicas son formas de onda sinusoidalesmúltiplos de la frecuencia fundamental (60 Hz)sumadas a la forma de onda de voltaje y corriente.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
En la gráfica podemos observar la 3ra. (180 Hz) y 5ta. (300 Hz) armónica y la resultante obtenida al sumarse a la fundamental.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Relación entre las armónicas trifásicas balanceadas.
• Las armónicas tienen tres componentes o secuencias.
b a
c
c
abab
c
Secuencia Positiva Secuencia Negativa Secuencia Cero
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Relación entre las armónicas trifásicas balanceadas.
• Las armónicas tienen tres componentes o secuencias.
Positiva Negativa Cero
Fundamental 2 3
4 5 6
7 8 9
10 11 12
13 14 15
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Causas…
• Existen dos tipos de cargas eléctricas en los sistemas, cargas lineales y cargas no lineales.
– Las cargas lineales son aquellas que demanda corriente enforma de onda sinusoidal o aquellas cargas que al aplicarlesun voltaje sinusoidal demandan una corriente sinusoidal.
– Las carga no lineales son aquellas que demandan corriente enforma de onda no sinusoidal o aquellas cargas que alaplicarles un voltaje sinusoidal demandan corriente de formano sinusoidal.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Cargas lineales:
Resistencias:
Planchas, focos
incandescentes.
Inductivas:
Motores, transformadores
Capacitivas:
Capacitores de potencia.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Cargas no lineales:
De arco:
Soldaduras, Hornos de arco,
lámparas fluorescentes,
halógenos y led.
Saturables:
Transformadores y reactores
Electrónicas:
Drives, variadores de
frecuencia, rectificadores,
CP, UPS, balastros.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Efectos…
• Sobre calentamiento de conductores.
• Operación de dispositivos de protección.
• Corrientes por el neutro.
• Daño a motores.
• Daño a transformadores.
• Resonancia.
• Notching: Equipo electrónico en el Buzz.
• Múltiples cruces por cero.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
El efecto piel…
• La resistencia de un conductor no es la misma en CDque en CA. En CA si se incrementa la frecuencia,también lo hace la resistencia.
• En CA el flujo de corriente es forzado hacia la parteexterior del conductor, disminuyendo el área de seccióntransversal efectiva del conductor y como resultado laresistencia se incrementa. Este fenómeno es conocidocomo efecto piel.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
El efecto piel….
Flujo de Corriente
a 60 Hz
Flujo de Corriente
a 1 MHz
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Operación de dispositivos de protección…
FUSIBLE INTERRUPTOR
Tenemos problemas de:
Daño a fusibles.
Interfieren con el disparo en los interruptores de
protección.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
• Las corrientes a 60 Hz se cancelan en un sistematrifásico. Las corrientes de la 3ra. armónica y susmúltiplos se añaden al neutro en un sistema trifásicocuando se encuentran en fase.
Fase C 100 A
100 A a 60 Hz +70 A a 180 Hz.
Fase A 100 A
100 A a 60 Hz +70 A a 180 Hz.
Fase B 100 A
100 A a 60 Hz +70 A a 180 Hz.
Neutro 0 A
0 A a 60 Hz + 210 A a 180 Hz.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Efecto del THD sobre un motor de 200 HP
% desbalance de voltaje 0 2 3.5 5
% incremento de perdidas 0 8 25 50
Temperatura (ºC)
Clase A 60 65 75 90
Clase B 80 86 100 120
MOTORES
Daños en motores…
Reduce la eficiencia del motor debido a perdidas I2R.
Incremento el calentamiento de cables, bobinas y
efecto piel.
Excesivos esfuerzo en el aislante del devanado.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Reduce la eficiencia del transformador debido a las pérdidas por resistencia y por corrientes de Eddy.
TRANSFORMADORES
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Daño en capacitores…
• Degradación en los bancos decapacitores.
• Se convierten en un camino excelentepara las corrientes armónicas.
• Los capacitores no generan corrientesarmónicas.
• No solo los capacitores para correccióndel FP se ven afectados, los utilizadosen computadoras, drives y otrosequipos electrónicos también.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Resonancia…• Todos los circuitos que contengan capacitancia
e inductancia tienen una frecuencia natural deresonancia.
• Esto implica voltajes y corrientes muy elevadosa esta frecuencia.
• Con la corrección del FP las armónicas puedenagravarse o amplificarse, esto si el capacitorentra en resonancia con las cargas queproducen armónicas.
Hr = (kVAtr *100 / kVArcap* %Ztr)
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Múltiples cruces por cero…
• Una onda sinusoidal perfecta a 60 Hz debe pasar porcero una sola vez por cada ciclo.
• Cuando hay cruces por cero múltiples veces, afecta lossistema automáticos y controladores programables,que evalúan los cruces por cero para medir elaceleramiento.
• Los eventos de secuencias de tiempo pueden serafectados debido a la velocidad de los relojes.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Notching…
Un Notch (hendidura) se define como undisturbio en el voltaje de alimentación que duramenos de medio ciclo y que inicialmente tienenuna polaridad opuesta al voltaje normal, (es untransitorio).
Los Notch se ocasionan por corto circuitos entrefases debido a la conmutación de los SCR´s.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Solución…
• Tolerar:
– Sobredimensionar los neutros.
– Transformadores delta – estrella localmente en las cargas para eliminar armónicas en los neutros.
• Corregir:
– Filtros de armónicas (Activos y pasivos).
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Filtros activos…
• Basados en electrónica depotencia compleja.
• Inyectan corrientes armónicasopuestas de las que se deseafiltrar, cancelándolas.
• No tienen frecuencia deresonancia con el sistema.
• Su alto costo limita su uso.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Filtros pasivos…
• Combinación de capacitores,inductancias y resistencia, talque a la frecuencia que sedesea filtrar, el conjunto tengamuy baja impedancia.
• Pueden tener efectos adversosal interactuar con la impedanciadel sistema de potencia.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Existen de dos tipos…
• Absorción (sintonizado): Se diseñan inductancia ycapacitancia, tales que la frecuencia del conjuntocoincida con la frecuencia de la armónica que se deseaabsorber.
• Rechazo (desintonizado): Al igual que el de absorciónpero se diseña a una frecuencia menor, generalmentea 3.5%.
División Peninsular
3er. Punto: Armónicos.
Advertencia…
• No realizar la corrección del FP sin realizar medicionesy análisis previo.
• Los filtros de armónicos son trajes a la medida de cadasistema.
• Utilizar los componentes de mayor calidad en elmercado.
• Actualmente la carga sensible y generadora dearmónicas es mayor del 40 % y cada día habrá masarmónicas.
División Peninsular
4to. Punto: Ruido dealta frecuencia.
Identificación…
• Espectro de 100 KHz a 100 MHz.
• Conducido no radiado.
• Superpuesta en la forma de onda de potencia.
División Peninsular
4to. Punto: Ruido dealta frecuencia.
Causas…
• Fuentes de alimentación.
• Balastros electrónicos.
• Rayos X.
• Drives de velocidad variable.
• Oscilaciones por transitorios.
• Impresoras Laser.
• Generadores de baja calidad.
División Peninsular
4to. Punto: Ruido dealta frecuencia.
Microprocesadores Evolución…
Year Model Transistors Speed Traces
1971 4004 2,300 0.1 MHz 10 micron
1974 8080 6,000 2 MHz 6 micron
1985 80386 275,000 16 MHz 1 micron
1998 Pentium II 7,500,000 400 MHz 0.25 micron
1999 Pentium III 9,500,000 500 MHz 0.25 micron
2015 Celeron -------------- 2.70 GHz 130 nanomts
División Peninsular
4to. Punto: Ruido dealta frecuencia.
Efectos…
• Altamente destructivo para circuitos digitales.
5V
0V
Logical 1
Logical 0
Logical 1
Logical 0
1.5V
0V
10 MHz
Clock
500 MHz
Clock
División Peninsular
4to. Punto: Ruido dealta frecuencia.
Equipos sensibles…
• Computadoras.
• PLC.
• Robots.
• Microprocesadores.
• Networks.
• Sistemas de seguridad y contra incendios.
División Peninsular
4to. Punto: Ruido dealta frecuencia.
Soluciones…
• Instalación de atenuadores de ruido HF.
SPD
SPD
SPD
División Peninsular
5to. Punto: Sistema detierra.
• Es un sistema de conexión deseguridad que se diseña para laprotección de personal y equiposeléctricos.
• Esta compuesto de uno o maselectrodos enterrados en el sueloy conectado a una malla decable de cobre desnudo la cualse interconecta con distintosequipos eléctricos.
• Es la base de toda protección decálida de energía
División Peninsular
5to. Punto: Sistema detierra.
Funciones…
• Seguridad del personal.
– Protección contra rayos.
– Protección contra corto circuito.
• Disipa corrientes del neutro.
– Armónicas.
– Ruidos de alta frecuencia.
• Disipa transitorios.
División Peninsular
Diagnostico de calidad deenergía.
Herramientas…
• Analizador de redes eléctricas.
– Trifásicos.
– V, I, Hz, kW, kVAR, KVA, Arm (2-50), THD (v, i), Forma de Onda, Memoria de datos, Eventos transitorios.
– Descarga datos a CP.
Nota importante:
Use solo con EPI
(Equipo de protección industrial).
División Peninsular
Diagnostico de calidad de
energía.
Herramientas…
• Software análisis de flujos de carga.
– Easy Power, ETAP, entre otros.
– Predicciones y análisis de variables eléctricas.