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j.j.
Armónicos
Calidad del Servicio Eléctrico [Power Quality]
Girona, Marzo 6 de 2003
Juan José Mora Fló[email protected]
j.j.
Introducción
Introducción
Compatibilidad Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
ENERGÍA ENERGÍA ELÉCTRICAELÉCTRICA
Confiabilidad
ContinuidadCALIDAD CALIDAD DE SERVICIODE SERVICIO
ArmónicosArmónicos
Seguridad
Calidad
Calidad del producto (Forma de Onda)
Calidad comercial
j.j.
Entorno Electromagnético
Es la aptitud de un dispositivo, aparato o Es la aptitud de un dispositivo, aparato o sistema para funcionar en su entorno sistema para funcionar en su entorno electromagnético de forma satisfactoria, sin electromagnético de forma satisfactoria, sin producir perturbaciones electromagnéticas producir perturbaciones electromagnéticas intolerables para cualquier otro dispositivo intolerables para cualquier otro dispositivo situado en el mismo entorno.situado en el mismo entorno.
Compatibilidad Electromagnética-CEM
Señal conducida A BEmisión A
Susceptibilidad B
Dispositivo ADispositivo A Dispositivo BDispositivo B
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Nivel de perturbación
Nivel de emisiónNivel de emisión
00
Nivel de inmunidad Nivel de inmunidad (puede soportar)
Nivel de Susceptibilidad Nivel de Susceptibilidad (mal funcionamiento)
Compatibilidad Electromagnética de un Sistema
Margen de inmunidadMargen de inmunidad
Nivel de CEMNivel de CEM
El nivel de inmunidad de cada aparato debe ser tal que su entorno no lo perturbe, y su nivel de emisión debe ser lo suficientemente bajo como para no perturbar a los aparatos situados en su entorno electromagnético.
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Tipos de Perturbaciones
Baja FrecuenciaBaja Frecuencia(BF)(BF)
Alta FrecuenciaAlta Frecuencia(AF)(AF)
Rango de frecuenciasRango de frecuencias
Forma de propagaciónForma de propagación
DuraciónDuración
0<f<1MHz0<f<1MHz f>1MHzf>1MHz
Por conducciónPor conducción Por RadiaciónPor Radiación
Medio de propagaciónMedio de propagación CablesCables AireAire
Transitoria yTransitoria yPermanentePermanente
Transitoria yTransitoria yPermanentePermanente
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Perturbaciones comunes en los sistemas de distribución
Tensión Variaciones, cortes, caídas, sobretensiones
Frecuencia Variaciones
Forma de onda
Armónicos, transitorios
Fases Desequilibrios
Potencia Cortocircuito, sobrecargas
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Ejemplos de perturbaciones en tensión comunes en la red
Fluctuación de tensión
Caída de tensión
Hueco de
tensión
Micro-Corte
Sobre-tensión
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Armónicos
Los armónicos son perturbaciones de baja frecuencia que se transmiten principalmente por conducción.
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Cómo se evidencia la existencia de Armónicos ?
Se dice que una señal tiene perturbaciones armónicas si la forma de onda difiere de la señal senoidal en regimén permanente.
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
Anormalidades:Sistemainmune
ANTERIORMENTETRFs
Cargas especiales.
Transitorios
Cortocircuitos
Descargas
tensión
Por qué hoy en día hay que hacer estudios de los armónicos ?
Con el advenimieto de Cargas Electrónicas:“Mayor uso y de mayor potencia”
Convertidores Variadores de velocidadRectificadoresComputadores, etc
AumentaAumentaPresenciaPresencia
SensibilidadSensibilidad
PerturbacionesPerturbaciones
A las A las PerturbacionesPerturbaciones
Series de Fourier
( ) ( ) ( )∑∑∞
=
∞
=++=
10
100 sencos
kk
kk tkCtkBatf ωω
( )∫= T dttxT
a 10 ( ) ( )∫= Tk dttktx
TB 0cos2 ω
( ) ( )∫= Tk dttktxT
C 0sen2 ω
j.j.
Amplitud
Amplitud
FrecuenciaFrecuencia
Amplitud
Amplitud
TiempoTiempo
Dominios del Tiempo y de la Frecuencia (jω)
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
TiempoTiempo
Vol
taje
Vol
taje
Fuente de tensión senoidal y Carga lineal
i(t)
v(t) R
i [A]i [A]
v [V]v [V]T
iempo
Tiem
po
CorrienteCorriente
Cómo se generan las perturbaciones armónicas ?
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
i [A]i [A]
v [V]v [V]
TiempoTiempo
Vol
taje
Vol
taje
Tiem
poT
iempo
CorrienteCorriente
Fuente de tensión senoidal y Carga no-lineal
i(t)
v(t) R
Cómo se generan las perturbaciones armónicas ?
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
i(t)
v(t)v(t)R
Carga no lineali(t)i(t)
v(t)v(t)R
L
Carga lineal tensión no
senoidal
i(t)i(t)
v(t)v(t)R Carga variante
en el tiempo
Generación de armónicos
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
i N
v B NOZ s LINEAL
vS i
vB LINEAL
iS
Otras formas de generación: Generación de tensiones armónicas en una red eléctrica por propagación corrientes armónicas
v(t)v(t)
ii TT (t)(t)
ZZ LL
v’(t)v’(t)CargaCarga
No No LinealLineal
CargaCargaLinealLineal
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Categorías de fuentes de generación armónicas
Fuentes de pequeña potencia y comportamiento Fuentes de pequeña potencia y comportamiento predeciblepredecible
•• Equipos domesticos y residenciales
Fuente de gran potencia y comportamiento Fuente de gran potencia y comportamiento aleatorioaleatorio
•Hornos de arco
Fuente de gran potencia y comportamiento Fuente de gran potencia y comportamiento predeciblepredecible
•Convertidores estáticos (HVdc, Hornos de fundición)
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Fuentes de pequeña potencia
•Mayoritariamente monofásicos: TV’s, PC’s, convertidores.
•Individualmente no son significativos, pero su efecto
combinado produce gran distorsión (armónicos impares).
•Su comportamiento es predecible y de estado estacionario o
cuasiestacionarío
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Cur
rent
Single Phase Power Supply (DAT=80%)
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Cur
rent
Semiconverter (DAT=alto)
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Cur
rent
6 Pulse Converter, capacitive smoothing, no series inductance
(DAT=80%)
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Cur
rent
6 Pulse Converter, capacitive smoothing with series inductance > 3%, or
dc drive (DAT=40%)
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Cur
rent
6 Pulse Converter with large inductor for current smoothing
(DAT=28%)
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Cur
rent
12 Pulse Converter
(DAT=15%)
0 10 20 30 40-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Time (mS)
Cur
rent
AC Voltage Regulator
(DAT=varía con alfa)
Otros Ejemplos
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Cómo afectan las perturbaciones armónicas ?
La gravedad de su aparición depende de la susceptibilidad de la carga o la fuente
Elementos Menos Susceptibles: Generadores de Calor
Elementos Más Susceptibles: Diseñados con entrada completamente Senoidal
Elementos con Susceptibilidad Intermedia: Motores
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Efectos de los armónicos
1.1. Probabilidad de resonancias serie y paraleloProbabilidad de resonancias serie y paralelo
2.2. Saturación de Transformadores (Saturación de Transformadores (dimensionamientodimensionamiento))
3.3. Reducción de la eficiencia del sistema Reducción de la eficiencia del sistema
4.4. Envejecimiento y reducción de vida útil de equiposEnvejecimiento y reducción de vida útil de equipos
5.5. Probabilidad de operación incorrecta de:Probabilidad de operación incorrecta de:
a)a) RelésRelés
b)b) ControladoresControladores
c)c) Contadores (pérdidas)Contadores (pérdidas)
6.6. Incremento de pérdidasIncremento de pérdidas
7.7. Incremento de ruido e interferencia Incremento de ruido e interferencia
8.8. Existencia de torques vibratorios y de frenadoExistencia de torques vibratorios y de frenado
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Cómo se cuantifica el nivel de las perturbaciones armónicas ?
Distorsión Armónica
0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 0 .0 3 5 0 .0 4-2 .5
-2
-1 .5
-1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
2
2 .5
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
1
2
1nn
V V
VDAT
∑≠=
1
2
1nn
I I
IDAT
∑≠=
Distorsión Armónica
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
armónicosen fase
Armónicosen contrafase
D.A.T.D.A.T.AA = D.A.T.= D.A.T.BB
A
B
Distorsión Armónica
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
•• Factor de crestaFactor de cresta..
FCVV
max
RMS=
•• Factor de formaFactor de forma
FFVRMS
VAAV=
•• Factor de desviaciónFactor de desviación
δmaxFD =
Otros índices
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 0 .0 3 5 0 .0 4-1 .5
-1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
Tensión
EMPRESAS DISTRIBUIDORAS
Conclusiones¿De quien depende?
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
¿De quien depende?
USUARIOS
0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2 0 .0 2 5 0 .0 3 0 .0 3 5 0 .0 4-2 .5
-2
-1 .5
-1
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
2
2 .5
Corriente
Conclusiones
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
Conclusiones
Los armónicos son distorsiones de la forma de onda de voltaje y de corriente, debidas a la presencia de señales senoidales de frecuencias múltiplo de la frecuencia fundamental.
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
El grado en el que los equipos se afectan por los armónicos y el grado de contaminación que produce cada equipo está enmarcado dentro de su compatibilidad electromagnética.
Conclusiones
Introducción
Compatibilidad
Electromagnética
Análisis de Armónicos
Conclusiones
j.j.
GRUPO DE INVESTIGACIÓN ENGRUPO DE INVESTIGACIÓN ENSISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICASISTEMAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Escuela de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y TelecomunicacionesTelecomunicaciones
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERUNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERCarrera 27, Calle 9. Ciudad Universitaria. Carrera 27, Calle 9. Ciudad Universitaria. —— A. A. 678A. A. 678
Conmutador: +(7) 6344000, Extensiones: 2373 Conmutador: +(7) 6344000, Extensiones: 2373 -- 24792479Teléfonos: +(7) 6342085 / 6359622 Teléfonos: +(7) 6342085 / 6359622 —— Fax: +(7) 6451156Fax: +(7) 6451156
BUCARAMANGA BUCARAMANGA —— COLOMBIACOLOMBIA
Agradecimientos