informe armonicos mrnl

Modelamiento de Redes No LinealesMedición de Armónicos en Redes Eléctricas

José Alejandro LaraÁrea Electricidad y Electrónica

Ingeniería en Electricidad Mención Potencia

7 de julio de 2014

Índice general

1. Introducción 21.1. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3. Conocimientos Previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Desarrollo de la Experiencia 52.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2. Proceso de Medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3. Interpretación Mediciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.1. Valores Eficaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.2. Formas de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.3. Distorsión Armónica Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.4. Análisis de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1

Capítulo 1

Introducción

1.1. Resumen

En el presente informe se dará a conocer la experiencia consistente en la medición de los ar-mónicos producidos en una red eléctrica, los armónicos son producidos cuando la onda sinusoidales distorsionada por cargas no lineales, hecho que se observará por medio de los instrumentosFLUKE 39 Power Meter y el medidor de tenaza HIOKI 3286-20.

1.2. Objetivos

Comprender el concepto de armónicos en las redes eléctricas

Estudiar la generación y los efectos de los armónicos en las redes eléctricas

Aprender las técnicas de medición de armónicos de voltaje y corriente

Entender el concepto del valor TRMS

Interpretar los conceptos de Indice de Distorsión Total de Voltaje (T.H.Dv) y de Corriente(T.H.Di)

1.3. Conocimientos Previos

¿Es lo mismo factor de potencia que armónicos?

No, El Factor de Potencia es la razón entre la Potencia Activa P y la Potencia Aparente S,tambien se puede representar como el coseno del ángulo entre la Potencia Activa y la PotenciaReactiva. La presencia de reactivos genera variaciones en el factor de potencia y por consiguienteañade armónicos a la red.

¿Qué es una red no lineal?

Es una red que no cumple con el principio de homogeneidad o el principio de superposición.

2

EK0203, Modelamiento de Redes No lineales 1o Sem. 2014

¿Qué son y cómo se generan los armónicos?

Los armónicos son múltiplos de una frecuencia fundamental, producidos por cargas no linealesque a pesar de ser alimentadas con una tensión senoidal absorben un intensidad no senoidal.

¿Qué efectos causan los armónicos en las redes eléctricas?

Sobrecalentamientos en los conductores especialmente en el neutro de las instalaciones,debido al efecto pelicular.

Disparos intempestivos de Interruptores Automáticos y Diferenciales.

Disminución del factor de potencia de una instalación y envejecimiento e incluso destruc-ción de las baterías de condensadores utilizadas para su corrección debido a fenómenos deresonancia y amplificación.

Vibraciones en cuadros eléctricos y acoplamientos en redes de telefonía y de datos.

Deterioro de la forma de onda de la tensión, y consiguiente malfuncionamiento de losaparatos eléctricos.

Calentamientos, degradaciones en los aislamientos, embalamientos y frenados en motoresasíncronos.

Degradaciones del aislamiento de los transformadores, pérdida de capacidad de suministrode potencia en los mismos.

¿Cómo se puede atenuar o eliminar el efecto de los armónicos en las redeseléctricas?

Sobredimensionamiento de conductores y pletinas. Utilización de un neutro para cada fase.

Utilización de transformadores de aislamiento de estrella-triángulo, con secundario en zig-zag o con doble secundario.

Filtros pasivos como las impedancias antiarmónicas o los llamados “shunt resonantes”,formados por elementos pasivos como inductancias y condensadores. Filtros activos y con-vertidores “limpios”.

Utilización de diferenciales “superinmunizados” calibrados para soportar altas tasas deTHD.

Separación de los elementos no lineales de las “cargas limpias” en una instalación eléctrica.

Impedancias de alisado, conectadas a las cargas no lineales. Filtros en cargadores y alimen-tadores.

3


¿Por qué es importante este laboratorio en su aprendizaje?

La importancia de este laboratorio reside en aplicar procedimientos de medición para deter-minar la presencia de armónicos en una red eléctrica, identificar las posibles fuentes y verificarsi se cumple con la normativa vigente. En caso de no cumplirse, plantear posibles soluciones alproblema.

4

Capítulo 2

Desarrollo de la Experiencia

2.1. Materiales

Analizador de Red Fluke 39

Analizador de Red HIOKI 3286-20

Tablero Eléctrico Laboratorio CLEL

2.2. Proceso de Medición

Primero, se identifica el circuito a medir, en este caso, el circuito número 1 del tablero general,siendo esté de iluminación en el laboratorio CLIE, la presencia de equipos fluorescentes inyectauna gran cantidad de armónicos debido a que estos artefactos poseen cargas no-lineales. Luegose conecta el analizador de red HIOKI 3286-20 de la siguiente manera:

Figura 2.1: Forma de Medir un circuito monofásico con el analizador HIOKI 3286-20

5


Figura 2.2: Esquema de conexión analizador HIOKI 3286-20

Se comienza a medir, estableciendo el disyuntor termo-magnético del circuito numero 1 enestado abierto, al cerrar el circuito, el analizador de redes comenzara a entregar datos hasta quellega un momento que se estabiliza. Los datos a medir son los siguientes: Voltaje, T.H.D.V.,corriente, T.H.D.I., potencia activa, reactiva, aparente y frecuencia.

Estas son las mediciones con el analizador HIOKI 3286-20:

Dato ValorS 1,47 KVA

Cosφ 0,906P 1,19 KW

I rms 3,38 AI peak 6,9 ATHDi 40%Vrms 230,6Vpeak 582 VTHDv 4%

Tabla 2.1: Datos entregados por el analizador HIOKI 3286-20

Armónico I[A]1 3,33 0,875 0,957 0,619 0,1511 0,1713 0,1915 0,05

Tabla 2.2: Datos de corriente en función de los Armónicos

6


Figura 2.3: Gráfico Espectro de Frecuencia de la Corriente

Armónico V[Volts]1 2283 3,55 77 2,89 0,311 0,613 0,6

Tabla 2.3: Datos de Voltaje en función de los Armónicos

Figura 2.4: Espectro de Voltaje

7


Luego se procede a medir con el analizador FLUKE, se conecta de la siguiente forma:Ahora, las mediciones con el analizador Fluke 39:

Dato ValorS 0,77 KVA

Cosφ 0,91P 0,7 KW

I rms 3,42 AI peak 6,31 AI dc -0,04 ATHDi 42,4%V rms 227 VV peak 316 VV dc 0 VV 3,42 A

THDv 4%

Tabla 2.4: Datos entregados por el analizador FLUKE 39

Los espectros de frecuencia entregados por el instrumento son:

Figura 2.5: Espectro de frecuencia de Corriente

8


Figura 2.6: Espectro de Frecuencia de Voltaje

Tambien el instrumento entregó las formas de onda tanto de voltaje, corriente, como defrecuencia.

Figura 2.7: Forma de Onda de Corriente

9


Figura 2.8: Forma de Onda del Voltaje

Figura 2.9: Forma de Onda Potencia (KW)

10


2.3. Interpretación Mediciones

En términos generales, los valores medidos con ambos analizadores coiciden, El analizadorHIOKI, es para hacer mediciones trifásicas y el analizador FLUKE 39 posee un solo canal. Debidoa esto surgen las siguientes divergencias:

El analizador HIOKI entrega voltaje peak 582 volt (aparentemente un voltaje trifásico)

El analizador FLUKE entrega voltaje peak 316 volt (monofásico)

Esto puede deberse a un error de lectura, a pesar que la configuración al momento de medir fué laque se indicaba en el manual, pueder ser un error de medición, el cual es corregible considerandoel voltaje rms entregado por el analizador HIOKI para calcular el voltaje peak.

Vpeak =√2 ∗ VRMS =

√2 ∗ 230, 6 = 326, 12V

Lo que se asemeja a lo medido por el analizador FLUKELuego de esta aclaración se pueden analizar las mediciones de forma homóloga.

2.3.1. Valores Eficaces

Valor eficaz es la media cuadrática de los valores instantáneos durante un periodo completo.Esto se puede expresar como la raíz de la suma de los cuadrados de las magnitudes correspon-dientes a los armónicos presentes en una señal eléctrica.

Para corriente:

IRMS =

√√√√ n∑i=1

I2i = 3, 6A

Para voltaje:

VRMS =

√√√√ n∑i=1

V 2i = 228V

2.3.2. Formas de Onda

Se puede apreciar que tanto las ondas de voltaje como de corriente poseen simetría impary un offset (a0) mínimo, por lo que sólo tienen componentes seno y sus armónicos son impares,como se han entregado los valores en los respectivos analizadores.

2.3.3. Distorsión Armónica Total

Es la relación entre el contenido armónico de la señal y la primera armónica o fundamental.Su valor se ubica entre 0% e infinito.

11


Para corriente:

THDI =

√∑ni=2 I

2i

IRMS= 40, 38%

Para voltaje:

THDV =

√∑ni=2 V

2i

VRMS= 3, 67%

La siguiente tabla muestra los límites de magnitud de corriente, según la norma IEC 555-2

Armónicos Límite mA/W Límite A3 3,4 2,35 1,9 1,147 1 0,779 0,5 0,411 0,35 0,33

13 + 3,85/n 0,15*15/n

Tabla 2.5: Limite de norma IEC 555-2

Se puede concluir que todo está dentro de la norma, excepto el quinto armónico, el cual debeatenuarse mediante un filto sintonizado o mediante un banco de condensadores. Este armónicose debe a los balastos existentes en el laboratorio.

2.3.4. Análisis de Potencia

Entre ambas mediciones, existe otra divergencia, las magnitudes de la potencia medida deambos analizadores, la potencia medida del analizador HIOKI es aparentemente el doble de laque mide el analizador FLUKE, por lo que se puede entender que se está midiendo potencia endos fases (error en la medida), por lo que se considerará la medición del analizador fluke parasacar conclusiones.

Como se explicó al principio, el factor de potencia es la razón entre la potencia efectiva y lapotencia aparente.

F.P. = cosφ =P

S=

0, 7

0, 77= 0, 91

12


Figura 2.10: Triángulo de Potencia

La potencia aparente es el módulo entre la potencia disipada (activa) y la potencia almace-nada (reactiva), pero tambien debe considerarse la distorsión armónica, por lo que la expresiónde potencia aparente quedará así:

S = V ∗ I =√P 2 +Q2 +D2 = 0, 77KV A

Lo que da origen al tetraedro de potencia.

Figura 2.11: Tetraedro de Potencia

2.4. Conclusiones

Unos de los mayores problemas en las redes eléctricas se producen por los armónicos quegeneran redes no lineales, manifiestándose principalmente en equipos con fuentes de alimentaciónque poseen condensador y diodos, por ejemplo, computadores, impresoras y material electro-médico, tambien en máquinas eléctricas, tanto estáticas, como rotatorias, como transformadores,balastos, motores, los cuales consumen potencia reactiva.

Desde el punto de vista técnico, las armónicas producen una serie de efectos negativos, quese resumen en lo siguiente:

Resonancias serie y paralelo.

Saturación de transformadores (dimensionamiento).

Reducción de la eficiencia del sistema.

Envejecimiento y reducción de vida útil de equipos.

Probabilidad de operación incorrecta de:

13


Relés.

Controladores.

Contadores (pérdidas).

Incremento de pérdidas.

Incremento de ruido e interferencia.

Existencia de torques vibratorios y de frenado.

El uso de equipos fluorescentes constituye cargas no-lineales a pesar de su bajo consumo deenergía, esto puede ser perjudicial para la red eléctrica debido a que se están generando ondasno-sinusoidales en la corriente, como en el voltaje del sistema, así se ha visto en el presentelaboratorio. Aunque las corrientes armónicas de las cargas son las responsables de la distorsiónde la tensión, una carga individual no puede controlar dicha distorsión, porque también dependede las corrientes solicitadas por el resto de las cargas y de la impedancia del sistema eléctrico,por lo tanto, una misma carga provocará diferentes niveles de distorsión en la tensión en funciónde donde se encuentre dentro del sistema eléctrico. El reconocimiento de esta circunstancia dalugar a la división de las responsabilidades en el control de la distorsión armónica.

La norma IEEE 519-1992, establece una serie de recomendaciones y requisitos para el controlde las armónicas en los sistemas eléctricos y especifica lo siguiente:

El control de la cantidad de armónicas de corriente inyectadas al sistema eléctrico la deberátener el consumidor.

Si se asume que la inyección de armónicas de corriente se encuentra dentro de límites razo-nables, el control de la distorsión de tensión lo deberá ejercer la entidad que tiene el controlde la impedancia del sistema eléctrico, que generalmente será la compañía suministradora.

Son técnicas eficientes de reducción de armónicos:

Reducir el aporte de corrientes armónicas

Utilizar filtros sintonizados

Modificar la respuesta en frecuencia del sistema eléctrico

Filtros activos

Filtros pasivos

14

informe armonicos mrnl

Documents