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Calidad de Suministro Eléctrico

E.U.P. Universidad de SevillaDpto. de Ingeniería EléctricaVirgen de áfrica, 741011 SevillaTelf.: +34 95 455 28 14; Fax: +34 95 455 62 18Web: www.irnase.csic.es/users/invespot/index.htm

Mª Dolores Borrás TalaveraE-Mail: [email protected]

¿Qué es Calidad Eléctrica?

• Se puede definir como:

Cualquier problema eléctrico manifestado en:

– La Tensión– La corriente eléctrica– O variaciones en la frecuencia

Que originan fallos, cortes o malfuncionamiento en el suministro eléctrico.


• La calidad eléctrica nos indica el grado con el que una instalación eléctrica soporta la actuación de todas sus cargas de modo eficiente y fiable.

• La calidad se degrada por las perturbaciones que se generan en la propia instalación o que proceden del exterior.


• 2/3 de los incidentes se originan en la propia instalación y no depende del suministro eléctrico, se deben a:

* Equipos electrónicos o informáticos.* Balastros electrónicos en la iluminación.* Variadores de velocidad de motores.* Cables largos o de reducida sección.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

•Tensión del suministro eléctrico

•Registros de la tensión

•Perturbaciones Eléctricas

•Análisis de perturbaciones

•Normativa

Suministro eléctrico

•230 VAC fase-neutro en sistemas de cuatro conductores (3F + N)

•230 VAC fase-fase en sistemas de tres conductores

L1

N

L2

L3

230 VAC

400 VAC

4 conductores (3F + N)

Tensión fase-neutro

3 conductores (3F)

L1

L2

L3

230 VAC

Tensión fase-fase

Tensión del suministro eléctrico ideal

Tensión

u(t)

t

325 V20msg

230V2

325(t)dtuT1U

T

02

RMS === ∫

•Parámetros de calidad:

•Tensión eficaz

t)50sen(2

•Forma de onda

•Frecuencia

•Simetría en tensiones trifásicas

•Forma de onda senoidal 325 u(t) ⋅⋅=

•Amplitud: 325V

•Valor eficaz:

•Periodo: T=20msg

•Frecuencia: 50Hz

PROBLEMÁTICA DEL PASADO

Obtener un suministro eléctrico

• sin interrupciones

• sin distorsión en la forma de onda de tensión

• de frecuencia constante

• equilibrada en sus tres fases (Fuente tipo 1).


Fuente de potencia tipo 1

PROBLEMÁTICA ACTUAL

Soportar un suministro eléctrico con

• Interrupciones y huecos de tensión

• Sin armónicos severos

• Con ligeros desequilibrios

• Con frecuencia casi constante

Insensibles a equipos eléctricos, actualmente más sensibles (Fuente tipo 2).


Fuente de potencia tipo 2

Medida y registro de la tensión eficaz

•Medida tradicional: RMS cada 20msg

•Medida actual: RMS cada 10msg

230V

Vac

t

20 msg10 msg

227V 215V218V

Medidor de la Calidad de la Red (MCR)

Analizador trifásico de la calidad de onda

PERTURBACIONES ELPERTURBACIONES ELÉÉCTRICASCTRICAS

Las perturbaciones eléctricas se pueden detectar de varias formas como:

• Ordenadores que se cuelgan

• Parpadeo de luces y monitores

• Sobrecalentamiento de motores

• Disparo intempestivo de protecciones

• Elevadas facturas de consumo eléctrico

PERTURBACIONES ELPERTURBACIONES ELÉÉCTRICASCTRICAS

1.Transitorios

2.Perturbaciones en la amplitud de la tensión:

• Variaciones de larga duración

• Variaciones de corta duración

3.Desequilibrios de tensión

4.Distorsión de la forma de onda

5.Flicker

6.Cambios de frecuencia

TRANSITORIOSTRANSITORIOS

Comportamiento momentáneo y no deseado de la señal

• Impulsivo: ( U cresta < 6KV)

• Nanosegundo (<50nsg)

• Microsegundo (50nsg-1msg)

• Milisegundo (>1msg)

• Oscilatorios:• Baja frecuencia (<5Khz,duración 0.3-50 msg, 0 a 4 veces URMS)

• Media frecuencia (5-500Khz,duración 20 μsg, 0 a 8 veces URMS)

• Alta frecuencia (0.5-5Mhz,duración 5 μsg, 0 a 4 veces URMS)

Pueden presentarse también transitorios estacionarios de tipo impulsivo debidos a la conmutación periódica de dispositivos electrónicos de potencia


Causas:

• Conexión y desconexión de grandes cargas• Descargas atmosféricas• Maniobras de interruptores.• Conmutación en electrónica de potencia

Efectos:

• Destrucción de componentes electrónicos de los equipos• Bloquear ordenadores• Errores en transmisión de datos digitales• Dañar aislamiento de motores u otros equipos

Transitorios impulsivos

Transitorios oscilatorios


Transitorio estacionario impulsivo

1. Transitorios

PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN

Los parámetros que las caracterizan son amplitud y duración.

Se clasifican en:

Sobretensión:Aumento en el valor eficaz de la tensión superior al 110%

Hueco:

Disminución del valor eficaz inferior al 90% hasta el 10%

Corte:

Valor eficaz cero o inferior al 10%

Variaciones de larga duración:

(Sobretensión, hueco, corte)Desviaciones del valor eficaz superior al minuto


Variaciones de corta duración:

(Sobretensión, microhueco, microcorte)

Desviaciones del valor eficaz inferior al minuto. Se dividen en:

Instantáneas (0.5 y 30 ciclos)Momentáneas (30 ciclos y 3 segundos)Temporales (3 sg y 1 min)

Variaciones de larga duración:Dependen de la red más allá del punto de entrega de la compañía


Variaciones de corta duración:

Dependen de nuestra instalación, desde el punto de entrega hasta nuestras cargas.


Huecos:Huecos:Son los más frecuentes.

Causas:

Conexión o desconexión de una gran cargaCortocircuitoSobrecarga

Efectos:

Fluctuaciones en la iluminación Reinicio de ordenadores y equipos electrónicosParadas intempestivas de variadores de velocidad.


Microhueco

Hueco


SobretensionesSobretensiones::

Causas:

Suelen originarse por un descenso de la carga más alláde nuestra instalación

Efectos:

Disparo de las protecciones automáticas Daño a los motoresReducción de la vida de las luminarias.


Sobretensión corta duración

Sobretensión larga duración


microcorte

Corte

hueco

microcortes

Tensión RMS en %

Interrupciones largas

110%sobretensión

100%

t1 min

10%

90%


Se producen cuando el sistema trifásico es asimétrico o está desequilibrado.

Un desequilibrio en tensión de más del 2% ocasiona fallos prematuros de motores y otras cargas trifásicas, las cargas más alejadas del cuadro principal sufren mayores desequilibrios

DESEQUILIBRIOS DE LA TENSIDESEQUILIBRIOS DE LA TENSIÓÓNN

OffsetOffset de continua:de continua:presencia de componente continua en la señal

DistorsiDistorsióón armn armóónica:nica:Alteración de la forma de onda senoidal de la tensión

Causas:

Tienen su origen en las cargas de la instalación que consumen corrientes a frecuencias distintas a 50Hz

Efectos:

Provocan sobrecalentamientos en cables, motores y transformadores

Disparo intempestivo de interruptores, reles o fusibles.

DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA

¿Qué son los armónicos?Señales cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de la tensión. Se les designa por su orden.

La frecuencia fundamental in Europa es 50 Hz

3er armónico es 3 x 50Hz or 150Hz5º armónico es 5 x 50Hz or 250Hz, etc.

La distorsión armónica total se expresa mediante la TASA de DISTORSIÓN ARMONICA (THD)

1

2

2

U

UTHD

n

hh

V

∑==


¿Qué causa los armónicos?

Cargas no lineales

La corriente no es proporcional a la tensión aplicada



Cargas linealesCargas linealesResistencias, bobinas y condensadores¿Qué significa esto?

Si una tensión senoidal pura alimenta un corcuito con una R pura, la corriente en el circuito cumple la ley de Ohm.La relación entre V e I es una línea recta. La corriente sera senoidal de la misma frecuencia.

Cargas lineales son luces incandescentes, resistencias caloríficas y motores


Cargas no linealesCargas no linealesUso de semiconductores de potencia¿Qué significa esto?

Si una carga es no lineal no se puede prever la relación entre V e I fácilmente a menos que tengamos las curvas características de cada dispositivo usado. En circuitos con muchos componentes semiconductores es prácticamente imposible.

Cargas no lineales son interruptores no controlados (rectificadores con diodos)Semicontrolados ( diodos y tiristores)Controlados (Tiristores)


Efecto de los armEfecto de los armóónicos en la forma de ondanicos en la forma de onda

Los armónicos se representan como una suma se ondas senoidales puras dónde la frecuencia de cada sinusoide es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la onda distorsionada.La suma de las sinusoides creadas por los armónicos se analizan usando el concepto de las series de Fourier.


¿¿QuQuéé efectos ocasionan los armefectos ocasionan los armóónicos?nicos?

•Los armónicos se transportan por todo el sistema eléctrico desde la fuente origen y pueden duplicar la corriente por el neutro en un sistema de distribución trifásico

•La corriente distorsionada procedente de las cargas fuente de armónico también distorsiona la tensión a través de la impedancia del sistema

•La introducción de armónicos afecta a todo el sistema eléctrico y a la calidad de la potencia.


¿¿QuQuéé efectos ocasionan los armefectos ocasionan los armóónicos?nicos?•Efecto Skin: Los armónicos tienden a conducir a través de una fina corona exterior al conductor reduciendo la sección eficaz del mismo y provocando sobrecalentamiento n2 veces superior a la reducción de la sección eficaz

•Sobrecalentamiento de motores: El armónico 7º tiende a hacerlo girar en sentido inverso, pérdida de rendimiento mecánico, sobrecalentamiento del núcleo por las corrientes parásitas.

•Disparo intempestivo de las protecciones: Las protecciones magnetotérmicas se disparan, magnéticas por un excesivo valor de la I de pico, térmicas por sobrecalentamiento.

•InterarmónicosSeñales que contienen componentes de frecuencia que no son múltiplos de la fundamental.

• CortesPerturbación de tensión periódica causada por normalfuncionamientode los dispositivos electrónicos de potencia cuando la corriente conmuta de una fase a otra.

• RuidoSe define el ruido, como señales eléctricas no deseadas, con un amplio contenido espectral inferior a 200KHz, superpuestas a la señal capturada en un punto del sistema.


“Impresión de inestabilidad de la sensación visual debida a un estímulo luminoso en el cual la luminosidad o la distribución espectral fluctúan en el tiempo”. (EN 50160)

Son variaciones sistemáticas de la envolvente de la tensión, o bien, una serie de cambios aleatorios de la tensión. La magnitud de las fluctuaciones de tensión no excede los rangos de tensión comprendidos entre el 90% y el 110%.

Según CEI 61000-4-15

Intensidad de la molestia:

Pst: Severidad de corta duración (10min)

Plt: Severidad de lartaduración (2h)

FLICKERFLICKER

Se originan en las cargas que funcionan en un régimen cíclico de arranque y parada, aunque no afecte al funcionamiento de los equipos resulta molesto al ojo humano

Una fluctuación del 0.5% en la amplitud y una frecuencia de 9Hz en la tensión puede provocar dolor de cabeza.

FLICKERFLICKER

Origenes del flicker

CARGAS INDUSTRIALES:

• Hornos de arco (cc y ca)

•Equipos de soldadura

CARGAS FLUCTUANTES

CARGAS CONECTADAS EN BAJA TENSIÓN:

•Grandes fotocopiadoras

•Motores

•Equipos de rayos X

SISTEMAS

EÓLICOS

FLICKERFLICKER

Se define como la desviación de la frecuencia fundamental del sistema, de su valor nominal especificado (50Hz).

Las causas que originan las variaciones de frecuencia, están relacionadas con la alteración del equilibrio carga-generador.

Cuando la carga es superior a la generación, la frecuencia disminuye y en caso contrario aumenta.

CAMBIOS DE FRECUENCIACAMBIOS DE FRECUENCIA

ORIGEN DE LAS PERTURBACIONES

Cargas no lineales:

Son aquellas que alimentadas por una tensión senoidaldemandan una corriente no senoidal

Contienen electrónica en su etapa de entrada

Suponen más del 50% de la potencia instalada en las instalaciones modernas.

Fuentes no senoidales:

La mayoría provienen de fuentes de energía alternativa

ANANÁÁLISIS DE LA CALIDAD DE LA POTENCIALISIS DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA

TIPOS DE PERTURBACIONESTIPOS DE PERTURBACIONES

Perturbaciones Perturbaciones estacionariasestacionarias

Perturbaciones Perturbaciones transitoriastransitorias

Distorsión armónica

Fallos, transitorios de conmutación

AnAnáálisis de la calidad de la potencialisis de la calidad de la potencia

DISTORSIÓN

ALEATORIA

PERIÓDICA O ARMÓNICOS

Análisis de Fourier

perturbaciones estacionarias

AnAnáálisis de la calidad de la potencialisis de la calidad de la potencia

perturbaciones transitorias

TTéécnicas de ancnicas de anáálisislisis

ACTFACTF DWTDWT

Formas de ondas distorsionadas componentes de alta frecuencia no necesariamente armónicos

sin relación con el fundamental

EJEMPLO:EJEMPLO: Espectro TFEspectro TF

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1

-0.5

0

0.5

1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1

-0.5

0

0.5

1

señal con 4 frecuencias: 25, 50, 100 y 200 Hz

señal con 4 frecuencias: 200, 100, 50 y 25 Hz

Espectrograma STFT con ventana Hanning ancha

Δtf

t

frecuencia

Tiempo (o área espacial)

Δf

Análisis tiempo-frecuencia con la STFT

Análisis tiempo-frecuencia con la WT

Área constante

f

t

frecuencia

Tiempo (o área espacial)

Teoría de wavelets

magnitud

t

magnitud

t

magnitud

t

Wavelet de Haar Wavelet Mexican hat Wavelet de Daubechies 4

Teoría de wavelets

0 2000 4000 6000 8000-2

0

2

0 2000 4000 6000 8000-2

0

2

0 2000 4000 6000 8000-0.5

0

0.5

0 2000 4000 6000 8000-2

0

2

0 2000 4000 6000 8000-0.5

0

0.5

0 2000 4000 6000 8000-2

0

2

0 2000 4000 6000 8000-1

0

1

0 2000 4000 6000 8000-2

0

2

0 2000 4000 6000 8000-2

0

2

0 2000 4000 6000 8000-2

0

2

0 2000 4000 6000 8000-0.2

0

0.2

señal con transitorio y hueco

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-2

-1

0

1

2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-2

-1

0

1

2x 10

-3

señal con transitorio y hueco

coeficientes d1 con zoom en eje y

coeficientes d1

DWT, coefficientes discretos

nive

l

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

CWT, coefficientes continuos

time (or space) b

Esc

alas

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800015913172125293337414549535761

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-2

-1

0

1

2señal con transitorio y sobretensión

NORMATIVAS

Normativa aplicable a la CALIDAD ELÉCTRICA

•UNE-EN 50160:

Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución.

•CEI 61000-4-30:

Técnicas de ensayo y de medida.Métodos de medida de la calidad eléctrica

Interés generalAlgunas soluciones planificadas (actualmente incorporadas en distintos grados)

• Mejora de la red* aumento de la potencia de reserva* mejora de conexiones de neutro y de redes de tierra

• Mejora de la seguridad del sistema* modernas técnicas de análisis on-line* métodos de monitorización y diagnóstico

• Técnicas de mitigación del efecto de las perturbaciones* sistemas de alimentación ininterrumpida* filtros pasivos y activos* compensadores serie o paralelo* sistemas estáticos de potencia para conmutación rápida entre

redes

Retos en la mejora de la calidad de servicio

Retos en la mejora de la calidad de servicio

• Incorporar nuevas técnicas de análisis para perturbaciones no estacionarias al medidor actual

• Detectar prematuramente fallos en las líneas de transmisión• Describir los efectos de las conexiones de fuentes de

generación alternativa a la red eléctrica. ¿Alteran la calidad de la señal? ¿Cómo afectan al consumidor?

• Desarrollar un instrumento que permita:– Efectuar medidas en el estado casi-estacionario y en el estado

transitorio (perturbación).– Medir transitorios cortos y de larga duración, variaciones de

amplitud y variaciones de frecuencia.– Clasificar, en tiempo real, el tipo de perturbación antes de

registrarla.

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