Laboratorio 4

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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Asignatura: Instalaciones eléctricas I Laboratorio no. 4 “Medición de potencia y energía con analizador de calidad de energía Fluke 434” Alumnos: CARNET APELLIDOS NOMBRES AQ13003 Aguilar Quintanilla, Cristian Antonio JA13001 Jiménez Alas, Daniel Vladimir Catedrático: Ing. Jorge Zetino Ciudad Universitaria, 13 de Noviembre de 2015

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Laboratorio sobre calidad de energia de la instalacion electrica de la Escuela de Ingenieria Electrica de la Universidad de El Salvador.

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Page 1: Laboratorio 4

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Asignatura: Instalaciones eléctricas I

Laboratorio no. 4 “Medición de potencia y energía con analizador de calidad de energía

Fluke 434”

Alumnos:

Nº CARNET APELLIDOS NOMBRES

AQ13003 Aguilar Quintanilla, Cristian Antonio

JA13001 Jiménez Alas, Daniel Vladimir

Catedrático: Ing. Jorge Zetino

Ciudad Universitaria, 13 de Noviembre de 2015

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INTRODUCCION

Ante los elevados costos de la energía eléctrica cada uno de los consumidores de esta,

buscan alguna manera de bajar los costos que conlleva la utilización de la energía ya sea

para poder competir en el mercado laboral como es el caso de las empresas o industrias o

simplemente como en el caso de consumidores domésticos que buscan ahorrar todo el

dinero posible ante el elevado costo de la vida.

Para poder optimizar de la mejor manera los costos de la energía eléctrica debemos tener

un control sobre la instalación eléctrica para poder detectar fallas que pudieran elevar los

cobros de energía eléctrica.

Es en este aspecto en donde cobran gran importancia los analizadores de red pues, los

analizadores de redes eléctricas son equipos que indican determinados

parámetros/características de una red eléctrica durante las 24 horas del día. Estos

analizadores ofrecen la mejor opción a la hora tener control sobre nuestra instalación ya

que los analizadores entre otras cosas puede ser usado para detectar y prevenir el exceso

de consumo de energía en kWh, también se pueden usar para detectar en que horas del día

se produce la máxima demanda de energía para tomar alguna medida que ayude a

disminuir dicha demanda y minimizar el aparecimiento de picos de demanda de potencia.

Durante este reporte nos centraremos en conocer un poco sobre los distintos analizadores

de red que existen así como realizar una práctica con uno de ellos para familiarizarnos con

su uso, el analizador de calidad de energía que usaremos será el Fluke 433/434 para

finalizar nuestro documento analizaremos algunas medidas realizadas con el analizador

Fluke 433/434 para conocer cuál es el perfil de carga de la escuela de ingeniería eléctrica

de la universidad de El Salvador, durante una semana.

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OBJETIVOS

General

• Estudiar y aprender sobre el uso de analizador de calidad Fluke 433/434

Específicos:

• Conocer cuál es la utilidad que tienen los analizadores de calidad de energía

eléctrica y los diferentes tipos de analizadores que existen.

• Realizar un análisis de los resultados obtenidos mediante una medición de energía

y potencia utilizando el analizador Fluke 433/434.

• Elaborar un perfil de carga utilizando los datos obtenidos de una medición de

potencia y energía usando el analizador Fluke 433/434.

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MARCO TEORICO

Analizadores de Red

La Calidad Eléctrica es un indicador del nivel de adecuación de la instalación para soportar

y garantizar un funcionamiento fiable de sus cargas. Una perturbación eléctrica o evento

puede afectar a la tensión, la corriente o la frecuencia. Las perturbaciones eléctricas

pueden originarse en las instalaciones del usuario, las cargas del usuario o la compañía

eléctrica.

¿En qué consiste una perturbación eléctrica?

Las perturbaciones eléctricas se definen en términos de magnitud y duración. Las

perturbaciones varían desde transitorios, que duran microsegundos, a cortes de servicio

que se prolongan durante horas. Cuando se produce una perturbación eléctrica que hace

que el suministro supere los límites de operación, los equipos instalados pueden funcionar

de forma incorrecta o incluso pueden dañarse. Los costes de un mal suministro eléctrico

pueden ser notables.

Pérdidas de producción: cada vez que se interrumpe la producción, su empresa pierde

dinero debido a los productos que no se fabrican ni se venden.

Productos dañados: Las interrupciones pueden dañar los productos en proceso de

fabricación, haciendo que tengan que ser reprocesados o rechazados.

Coste energético: las compañías eléctricas pueden aplicar penalizaciones por factores de

potencia bajos o por picos elevados de consumo.

Instrumentos para el análisis de la calidad eléctrica de Fluke

Fluke ofrece una amplia gama de instrumentos para el análisis de la calidad eléctrica

destinados a la localización y solución de problemas, las tareas de mantenimiento

preventivo y el registro y análisis a largo plazo en aplicaciones industriales y redes de

suministro.

¿Qué es un analizador de redes eléctrica?

Los analizadores de redes eléctricas son equipos que indican determinados

parámetros/características de una red eléctrica durante las 24 horas del día. Existen

diversos tipos de analizadores que varían en función del uso de la red eléctrica objeto del

estudio, parámetros eléctricos que queremos analizar, lugar de la medición, frecuencia del

análisis/mediciones. Algunos de ellos únicamente identifican los parámetros medidos sin

registrarlos. Otros equipos disponen de memoria y almacenan los datos durante un

determinado tiempo.

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Existen analizadores de redes vectoriales y escalares.

El analizador de redes escalar (SNA, Scalar Network Analyzer), mide propiedades de

amplitud. Un analizador vectorial (VNA, Vector Network Analyzer) es mucho más

potente que el analizador escalar. La mayor diferencia es que un VNA añade la capacidad

de medir fase, así como la amplitud. También se denomina Medidor de Ganancia y Fase o

Analizador de Redes Automático.

¿Qué ventajas obtenemos con lo analizadores de redes?

• Detección y prevención del exceso de consumo (kW ·h). Podemos analizar curvas

de carga para ver dónde se produce la máxima demanda de energía. Detectar la

necesidad de instalación de una batería de condensadores, así como su potencia.

Detectar fraude en los contadores de energía.

• Realización de mantenimientos periódicos del estado de la red eléctrica, tanto en

baja como en media tensión, ver curvas de arranque de motores, detectar posibles

saturaciones del transformador de potencia, cortes de alimentación, deficiente

calidad de suministro eléctrico, etc.

• Análisis de problemas en la red eléctrica, para poder solucionar problemas de

disparos intempestivos, fugas diferenciales, calentamiento de cables, resonancias,

armónicos, perturbaciones, flicker, desequilibrios de fases, etc. Al mismo tiempo,

nos permite diseñar los tamaños adecuados para los filtros activos o pasivos de

armónicos y filtros para variadores de velocidad, etc.

Parámetros medidos por los analizadores de redes

• El flicker o parpadeo, es un disturbio en la amplitud de la tensión, es de tipo

conducido, no simétrico (distinto en cada fase), cuya principal consecuencia es la

variación del brillo de las lámparas incandescentes, que causa molestia visual y

produce cansancio.

• Los armónicos son distorsiones de la corriente. Se trata de voltajes y corrientes con

frecuencias múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Entre otros muchos,

los principales causantes de las distorsiones armónicas son: Las reactancias

electromagnéticas y electrónicas de alumbrado, equipos de soldadura eléctrica,

equipos electrónicos conectados a la red monofásica, reactancias electromagnéticas

para lámparas de descarga, arrancadores electrónicos, variadores de velocidad.

• Distorsión armónica (THD) de tensión y corriente Las corrientes armónicas al

circular por el sistema de potencia producen caídas de voltaje armónicas que son

capaces de distorsionar la onda de voltaje de suministro. La forma de evaluar un

voltaje o una corriente distorsionada es a través del parámetro denominado

distorsión armónica total THD (Total Harmonic Distorsión).

• El valor eficaz de una corriente alterna es el valor que tendría una corriente

continua que produjera la misma potencia que dicha corriente alterna, al aplicar

sobre una misma resistencia. Es decir, se conoce el valor máximo de una corriente

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alterna (Io). Se aplica esta sobre una cierta resistencia y se mide la potencia y se

mide la potencia producida sobre ella. A continuación, se busca un valor de

corriente continua que produzca la misma potencia sobre esa misma resistencia. A

este ultimo valor, se le llama valor eficaz de la primera corriente (la alterna).

• Potencia y factor de potencia La presencia de armónicos en un sistema eléctrico

hace que se complique el cálculo de la potencia y factor de potencia. Existen tres

cantidades estándares asociadas a la potencia: Potencia Aparente (S). Potencia

Activa (P). Potencia Reactiva (Q).

Clasificación.

• Analizadores fijos con montaje en panel, instalados en la parte frontal de los

gabinetes o tableros eléctricos, permitiendo una visibilidad directa. Se utilizan para

control en cuadros de distribución y acometidas de baja y media tensión. Control

de alarma, totalmente programable la variable a controlar, el valor máximo, el

valor mínimo y el retardo, control de la energía activa o reactiva mediante salida de

impulsos parámetros eléctricos medidos

Figura 1: Analizador fijo con montaje en panel

Aplicaciones

Aplicación de control en cuadros de distribución y acometidas de baja y media tensión.

Control de alarma, totalmente programable la variable a controlar, el valor máximo, el

valor mínimo y el retardo. Control de la energía activa o reactiva mediante salida de

impulsos parámetros eléctricos medidos.

• Analizadores fijos con montaje carril DIN, son instalados internamente de los

gabinetes o tableros eléctricos. Se utilizan en cuadros de distribución y acometidas

de baja y media tensión.

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Figura 2: Analizador fijo con montaje en carril

Aplicación

Aplicación de control en cuadros de distribución y acometidas de baja y media tensión.

Donde sea necesario poner un analizador en el carril DIN por problemas de espacio.

Control de valores instantáneos, máximos y mínimos de los parámetros eléctricos medidos

• Analizadores portátiles. Mide todos los principales parámetros eléctricos de una

red eléctrica en verdadero valor eficaz con 4 canales de tensión y 4 de corriente. Se

pueden realizar estudios completos de una instalación registrando: armónicos,

perturbaciones, comprobación de contadores, transitorios, flicker, etc.

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ASIGNACIONES.

1. ¿Por qué es de mucha importancia la calidad de la energía, para un usuario

industrial y que ventajas posee al tener un servicio con estas características?

Se ha determinado que uno de los problemas más comunes que ocasiona el desperdicio de

energía eléctrica en las empresas es la calidad de esta, pues influye en la eficiencia de los

equipos eléctricos que la usan. Es por ello que es sumamente importante contar con

suministro de energía con calidad que puede definirse con las ventajas: ausencia de

interrupciones, sobre tensiones y deformaciones producidas por armónicas en la red y

variaciones de voltaje RMS suministrado al usuario; esto referido a la estabilidad del

voltaje, la frecuencia y la continuidad del servicio eléctrico.

2. ¿Qué es la distorsión armónica y porque es ocasionada?

La distorsión armónica describe la variación en estado estacionario o continuo en la forma

de onda de la frecuencia fundamental (60 hertz para nuestro medio). Para esta condición de

estado estacionario las frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, las

cuales al sumarse vectorialmente a la fundamental originan su deformación o distorsión.

Esto es producido por cargas no lineales, es decir, aquellos equipos que consumen

corriente eléctrica no senoidal al aplicárseles una alimentación senoidal, por lo general son

corrientes pulsantes, estrechas pero de gran amplitud, con lo cual producen una distorsión

de las señales de voltaje y corriente a lo largo del sistema de distribución eléctrica.

El problema con cargas no lineales, es la forma no sinusoidal que la corriente adopta,

producto de las diferentes ondas (múltiplos enteros de la fundamental), que a ella se suman

y que son originadas por las cargas no lineales. Esta deformación de las señales de tensión

y corriente se expresa usualmente en términos de "Distorsión Armónica".

3. ¿Qué son las fluctuaciones de tensión? Menciones los tres tipos que existen,

esquematice

La fluctuación de voltaje consiste en huecos de tensión que ocurren con rapidez causados

por aumentos grandes o repentinos en la corriente de carga. La causa más frecuente de la

fluctuación de voltaje es la variación rápida de cargas que requieren una gran cantidad de

potencia reactiva, como turbinas de viento, soldadoras, trituradores de rocas, aserraderos,

astilladoras de madera, trituradores de metales y atracciones de parques de diversiones.

Puede causar fluctuaciones visibles en las luces y hacer que otros procesos se apaguen o

funcionen mal.

Tipos:

• Tipo a: Variaciones rectangulares de tensión de período constante. Por ejemplo, las

ocasionadas por interrupciones descargas resistivas.

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• Tipo b: Escalones de tensión que se presentan de forma irregular en el tiempo y

cuya magnitud varía tanto en sentido positivo, como negativo.

• Tipo c: Cambios en la tensión claramente separados que no siempre llevan

aparejados escalones de tensión. Por ejemplo, las originadas por acoplamientos de cargas

no resistivas.

• Tipo d: Series de fluctuaciones esporádicas o repetitivas. Por ejemplo, las

producidas por cambios cíclicos o aleatorios de cargas.

Ilustración 1 Tipos de fluctuaciones de tensión

4. ¿Qué son los armónicos?

En sistemas eléctricos de corriente alterna los armónicos son, igual que en acústica,

frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental de trabajo del sistema y cuya amplitud

va decreciendo conforme aumenta el múltiplo. En el caso de sistemas alimentados por la

red de 50 Hz, pueden aparecer armónicos de 100, 150, 200, etc. Hz.

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5. ¿Por qué son causados los armónicos y que problemas causan nuestra instalación?

En general, los armónicos son producidos por cargas no lineales que a pesar de ser

alimentadas con una tensión senoidal absorben una intensidad no senoidal. Para

simplificar se considera que las cargas no lineales se comportan como fuentes de

intensidad que inyectan armónicos en la red. Las cargas armónicas no lineales más

comunes son las que se encuentran en los receptores alimentados por electrónica de

potencia tales como variadores de velocidad, rectificadores, convertidores, etc. Otro tipo

de cargas tales como reactancias saturables, equipos de soldadura, hornos de arco, etc.,

también inyectan armónicos. El resto de cargas tienen un comportamiento lineal y no

generan armónicos: inductancias, resistencias y condensadores.

Tipos de equipos que generan armónicos:

- fuentes de alimentación de funcionamiento conmutado (SMPS);

- estabilizadores electrónicos de dispositivos de iluminación fluorescente; -sistemas

de Alimentación Ininterrumpida (SAI o UPS); -motores eléctricos.

Problemas producidos por los armónicos:

- Sobrecarga de los conductores neutros

- Sobrecalentamiento de los transformadores

- Disparos intempestivos de los interruptores diferenciales

- Sobrecarga de los condensadores de corrección del factor de potencia

- Ruido y posibles daños en circuitos electrónicos

- Alteraciones en la forma de onda.

6. Si midiéramos los armónicos en el tablero principal de la escuela de ingeniería

Eléctrica y el resultado de esta lectura con el analizador redes Fluke 434, nos

muestra una señal sin distorsión, que señal esperaríamos, como resultado: una

componente, varios componentes o ningún componente explicarlo mediante un

gráfico de amplitud Vrs frecuencia.

Ilustración 2 Fundamental o señal sin distorsión (ideal)

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Una señal sin distorsión es como la que se presenta en la ilustración anterior, componente

única y sin deformación debida a otras componentes contaminantes (armónico). Si se

presentasen otras componentes, y se sumasen a la fundamental como las que se muestran a

continuación:

Entonces si obtendríamos una señal resultante afectada por estas componentes, dando

lugar a la deformación de la señal como se muestra en la imagen siguiente:

Ilustración 3 Señal con distorsión

7. Las compañías eléctricas, a menudo cobran a los clientes industriales tomando el

valor más alto de utilización media de energía durante una franja de tiempo ¿Esta

franja de tiempo de cuánto es y se mide en horas minutos o segundos Explique y

esquematice mediante un grafico?

El cobro de energía en nuestro país para los clientes industriales está distribuido de la

siguiente manera resto (5:00am-6:00pm) valle (11:00pm-5am) pico (6:00pm-11:00pm) en

cada una de estas franjas horarias se cobra a diferentes precios el consumo de energía

eléctrica

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8. ¿Qué es un transitorio y que problemas presentan nuestros equipos al ocurrir un

evento de esta naturaleza?

Los transitorios son desviaciones de la forma de onda esperada ya sea en tensión o en

corriente que se caracterizan por su corta duración (con respecto al periodo de la señal en

consideración). Parte de estos transitorios puede ser generada por el efecto de un rayo o

por operación de bancos de condensadores en instalaciones industriales, por la corriente de

arranque de motores, por la desenergización y energización de transformadores etc.

A continuación se muestra un ejemplo de un transitorio en una línea de tensión de 120V

Figura 4. Transitorio

Tal como se detalla en la figura 4, un transitorio puede tener un nivel pico muy alto que en

algunos casos puede romper el nivel de aislamiento en un transformador y ocasionar el

fallo de componentes electrónicos.

9. ¿Cuál es la diferencia entre voltaje nominal y voltaje de utilización?

Cuando se habla de voltaje nominal, se está refiriendo a que es el voltaje de trabajo de un

dispositivo, es decir que a ese voltaje fue diseñado para funcionar pero este voltaje es un

voltaje normal o el esperado ya que puede variar en un porcentaje pequeño y aun así el

equipo funcionaria perfectamente, mientras que el voltaje de utilización es el voltaje que

se presenta en las terminales del equipo a la hora de funcionar.

10. ¿Qué es un perfil de carga y para que se utiliza?

En la ingeniería eléctrica, un perfil de carga es un gráfico de la variación en la carga

eléctrica en función del tiempo. Un perfil de carga variará según el tipo de cliente, la

temperatura y las temporadas de vacaciones. Los distribuidores de energía utilizan esta

información para calcular el consumo de energía que demanda cada cliente. En este perfil

de carga se detalla la energía consumida en un tiempo determinado en Kwh. Así como la

máxima potencia demandada en Kwh.

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11. ¿Que son los flicker?

El flicker consiste en variaciones periódicas de amplitud o frecuencia en la forma de onda

de la tensión de tal forma que resultan ser detectadas a simple vista (se observa un

parpadeo) cuando la tensión alimenta lámparas, bombillos y otros dispositivos para

iluminación. (Ver figura 5)

Figura 5: Flicker

12. ¿Que nos muestra una pantalla de tendencia en el analizador Fluke 433/434?

Esta pantalla se relaciona con la de tabla permitiendo mostrar las variaciones a lo largo del

tiempo de los valores enumerados en la tabla. Tras seleccionar el modo de medida, el

analizador comienza a registrar las lecturas en la tabla. La pantalla tabla presenta datos

inmediatos de un gran número de valores numéricos de medidas importantes. Utilizada

para: Volt./Amp./Hz. ,Fluctuaciones, Armónicos, Potencia y energía , Flicker (Parpadeo) y

Corriente de arranque.

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13. REALIZAR ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS: Con los datos

proporcionados, de una medición de potencia y energía realizada en el tablero principal de

la escuela de ingeniería eléctrica (Descargarlos del sitio de la asignatura), realizar un

análisis en cualquier software de preferencia (Excel,Matlab, Octave etc.)

Mostrar el perfil de carga de la medición completa (una semana).

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¿En qué periodo de tiempo se consume mayor energía?

En la semana, los días entre lunes y viernes se da el mayor consumo, y en estos días el

horario de mayor consumo según nuestro perfil de carga es aproximadamente entre las 8

am y 5 pm, con los niveles más altos alrededor del medio día o más específicamente entre

las 10.30 am y la 1.30 pm

¿En qué periodo de tiempo se consume menos energía?

En la semana, los días de menor consumo son los días sábado y domingo.

En la semana el horario de menor consumo es entre las 8pm y 6am del siguiente día.

Debido a que es el periodo en el cual el personal y estudiantes no están haciendo uso de

las instalaciones.

¿Cuál es el pico máximo de potencia y en qué tiempo ocurrió?

El pico máximo es de 22.433 kVA y ocurrió en la fecha 06/05/2015 a las 16:30

Si me pidieran averiguar cuántos KVA, se están consumiendo de una subestación de 150

KVA, que se está sobrecalentando que medidas debería realizar con el analizador

explique.

El sobrecalentamiento de los transformadores podría deberse a una carga excesiva. Por

ello se recomienda medir la potencia demandada (kVA) para determinar si existe una

demanda excesiva que está provocando el problema

Cuanto es el consumo semanal en la EIE; Estime el valor mensual.

Es la sumatoria de las mediciones de potencia multiplicado por un delta de tiempo de 5

minutos equivalente a 4.9603333x10-4

semanas.

Consumo semanal = 11158244.55*4.9603333x10-4

(W/semana)= 5534.8612 W/sem

Consumo mensual =5534.8612 W/sem* 4 sem/mes=22139.44 W/mes= 22.14 kW/mes

14. ¿Qué es el FP?

Es el factor de potencia que en un circuito de corriente alterna, es la relación entre la

potencia activa, P, y la potencia aparente, S. Da una medida de la capacidad de una carga

de absorber potencia activa.

15. ¿En qué rango debe de andar el FP para que el consumidor no deba de ser

penalizado por la compañía distribuidora?

Entre un factor de potencia unitario y del 95%.

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CONCLUSIONES

Por los resultados que se obtuvieron de las mediciones continuas y periódicas de

energía durante una semana, en el tablero principal de la Escuela de Ingeniería

Eléctrica de la UES, utilizando un analizador de calidad de energía en este caso el

Fluke 433/434 se pudo analizar como varia la demanda de energía y potencia en

dicha instalación y se puede comprobar que las lecturas realizadas por el

analizador durante las horas del día son mucho mayores a las lecturas tomadas en

el transcurso de la noche. Además se nota que durante el fin de semana que se

realizo la medición existe una gran caída en el consumo debido a que solo están en

uso pocas luces y equipos de baja carga.

Con el perfil de carga que obtuvo usando las mediciones obtenidas por el

analizador de red se puede observar que en la EIE-UES durante los días lunes,

martes, miércoles y jueves el consumo de energía es muy similar y que la máxima

demanda de potencia ocurre en el rango desde las 10:30 am hasta las 1:30 pm.