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MEDICIÓN DE ENERGÍA ACTIVA Y REACTIVA

EN PRESENCIA DE ARMÓNICOS.

ANÁLISIS DE ERRORES

PROYECTO TRABAJO FINAL

AUTOR: FERRARI MATÍAS TUTOR: ING. SUAREZ JUÁN

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA CO-TUTOR: ING. DI MAURO RUBÉN

EVALUADORES: ING. ALONSO

ING. FERREYRA

ING. JACOB

ING. DIMENNA (SUPLENTE)

Medición de Energía Activa y Reactiva en Presencia de Armónicos. Análisis de Errores

M. Ferrari

CONTENIDO

RESUMEN

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE

CAPÍTULO 2: TEORÍA SOBRE ARMÓNICOS

CAPÍTULO 3: MEDIDORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA

CAPÍTULO 4: SOFTWARE LabVIEW

CAPÍTULO 5: HARDWARE Y SOFTWARE DEL ANALIZADOR VIRTUAL

CAPÍTULO 6: VERIFICACIÓN DE LAS MEDICIONES DEL ANALIZADOR VIRTUAL

CAPÍTULO 7: ANÁLISIS EXPERIMENTAL

CAPÍTULO 8: RESULTADOS

CAPÍTULO 9: CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA


M. Ferrari

RESUMENEs objetivo de este trabajo analizar la influencia de la distorsión armónica de la

tensión y de la corriente en medidores de energía eléctrica.

Se ensayarán distintos modelos de medidores de tipo domiciliario (a inducción

y digitales) con cargas no lineales presentes hoy en día en el sistema eléctrico.

Las mediciones arrojadas por los mismos serán contrastadas con el analizador

de redes HIOKI 3166. Adicionalmente, se confeccionará un instrumento virtual

mediante programación gráfica en LabVIEW, el cual será utilizado también

como medidor patrón para el contraste de las mediciones. Por último, con el fin

de cuantificar de forma precisa la energía registrada por los medidores bajo

ensayo, se construirán sensores para determinar la cantidad de revoluciones y

de pulsos luminosos efectuados por los de tipo a inducción y digitales

respectivamente.

Palabras claves: medidor de energía eléctrica, distorsión armónica,

analizador de redes, programación gráfica, instrumento virtual, sensores.


M. Ferrari

INTRODUCCIÓNCargas de respuesta no lineal corrientes distorsionadas distorsión de la

forma de onda de la tensión de suministro.

Contaminación de la tensión y de la corriente consecuencias en las redes

eléctricas. Pueden destacarse las siguientes:

• Sobrecarga térmica de condensadores.

• Desclasificación de transformadores.

• Par pulsante y sobrecalentamiento en motores.

• Sobrecarga térmica de conductores.

• Sobrecarga adicional del conductor neutro por circulación de armónicos de secuencia

cero.

• Alteración del desempeño de equipos de control que detectan ceros o valores de

cresta.

• Desplazamiento de los puntos de actuación de las protecciones.

• Generación de interferencias en los medios de comunicación y de transmisión de datos.

• Modificación de las mediciones de potencia y de energía.


M. Ferrari

INTRODUCCIÓNDe todas las consecuencias listadas anteriormente, en el presente trabajo se

pretenderá estudiar el desempeño de medidores de energía eléctrica bajo

condiciones no sinusoidales.

Fundamento de dicho estudio incremento continuo del uso de cargas no

lineales en usuarios residenciales.

Actualmente en una vivienda típica residencial puede encontrarse un número

importante de cargas alineales que introducen un alto espectro de armónicos

en la red:

• Televisores - Monitores

• Computadoras

• Videograbadoras

• Equipos de audio

• Hornos a microondas

• LFC (lámparas fluorescentes compactas)

• Otras…


M. Ferrari

CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTEResumen de investigaciones que sirvieron como guía para el

abordaje del tema central del presente trabajo.

Aspectos destacados:

• Medidores monofásicos y trifásicos

• Medidores a inducción, híbridos y digitales

• Energía activa y reactiva

• Lotes experimentales de varios medidores

• Trabajos llevados a cabo por universidades y financiados por

compañías de suministro eléctrico


M. Ferrari



• Fuentes de alimentación programables

• Analizadores de forma de ondas

• Medidores de referencia de verdadero valor eficaz.


M. Ferrari



• Ensayos bajo diferentes condiciones de contenido armónico

tanto en tensión como en corriente (THDu y THDi) y diferentes

formas de ondas (espectro armónico)


M. Ferrari




M. Ferrari



• Errores relativos de diversas magnitudes (-7[%] a +10[%]/30[%])

• Errores tanto de signo positivo (mayor potencia integrada)

como de signo negativo (menor potencia integrada)


M. Ferrari


RESUMEN DE LOS PAPERS INVESTIGADOS

PAPER Tipo de medidor THDu [%] THDi [%] Error [%]

[8] Digital 8.98 68.5 + 6.5

[9] Inducción 4 94.5 + 28.7

[9] Digital 4 94.5 + 27.6

[10] Híbrido 3 125.9 + 9.14

[10] Digital 3 125.9 + 9.46

[10] Digital 3 125.9 + 7.97

[10] Digital 3.27 124.3 + 9.49

[11] Inducción 3.9 3.8 - 0.3

[11] Inducción 4 74.1 + 0.3

[11] Inducción 4.6 111.4 + 1.9

[11] Inducción 4.3 20.6 + 2.2

[11] Digital 3.9 3.8 - 3.1

[11] Digital 4 74.1 - 6.6

[11] Digital 4.6 111.4 + 6.5

[11] Digital 4.3 20.6 + 0.6

[11] Híbrido 3.9 3.8 - 0.3

[11] Híbrido 4 74.1 - 6.6

[11] Híbrido 4.6 111.4 + 1.9

[11] Híbrido 4.3 20.6 + 3.4

[12] Inducción 10 71.54 - 0.21

[12] Digital 10 71.54 + 0.71


M. Ferrari


Como conclusión, se puede evidenciar que:

• Existe disparidad entre los resultados de cada trabajo

• Los valores de los errores son algunos positivos y otros negativos

• El error en los medidores de energía eléctrica activa bajo condiciones de

carga no lineal depende de:

– Tipo de medidor

– Formas de las ondas de tensión y de corriente (espectros armónicos)

– Grado de distorsión armónica en tensión

– Grado de distorsión armónica en corriente

– Tipo de energía reactiva consumida por la carga (inductiva o capacitiva)

Estos puntos serán tenidos en cuenta a la hora de efectuar los posteriores

ensayos que conformarán parte del presente trabajo


M. Ferrari

CAPÍTULO 2: TEORÍA SOBRE ARMÓNICOS(Conceptos básicos sobre los armónicos en los sistemas

eléctricos de potencia)

CAPÍTULO 3: MEDIDORES DE ENERGÍA

ELÉCTRICA

CAPÍTULO 4: SOFTWARE LabVIEW


M. Ferrari


Optativa del Departamento de Ing. Eléctrica: Instrumentación avanzada.

Acondicionamiento: valores admisibles

Sensores: determinar de forma precisa

Tarjeta de adquisición de datos PCI: velocidad de muestreo (en muestras por segundo)

Computadora Personal (PC): interactuar con la tarjeta de adquisición y el software LabVIEW

LabVIEW: programar los algoritmos que permiten analizar y procesar los datos adquiridos


M. Ferrari


Las entradas son las señales eléctricas

Las salidas son los indicadores virtuales de los distintos parámetros en la

pantalla de la PC


M. Ferrari


• Hardware

Circuito acondicionador de tensión

Dispositivo transductor de la señal de corriente (pinza transduc)


M. Ferrari


• Hardware

Sensores de revoluciones y de pulsos luminosos → valor más

preciso de la energía registrada por los medidores bajo ensayo


M. Ferrari


• Hardware

Sensores de revoluciones y de pulsos luminosos → valor más

preciso de la energía registrada por los medidores bajo ensayo


M. Ferrari


• Hardware

Conjunto comprendido por la tarjeta de adquisición de datos PCI-6221,

cable blindado NI SHC68-68-EPM y bloque conector de terminales a tornillo

CB-68LP de la firma National Instruments

PC de escritorio


M. Ferrari


• Hardware

Conjunto comprendido por la tarjeta de adquisición de datos PCI-6221,

cable blindado NI SHC68-68-EPM y bloque conector de terminales a tornillo

CB-68LP de la firma National Instruments

PC de escritorio


M. Ferrari


• Software.

Aplicar los conocimientos adquiridos al cursar la materia optativa

Instrumentación Avanzada → basada en el uso del software

LabVIEW como lenguaje de programación gráfica → se diseñó un

analizador de redes.

El mismo será utilizado, junto al analizador HIOKI 3166, como

medidor de referencia para el cálculo de los errores porcentuales

de los medidores en los diferentes ensayos

(Ver PDF)


M. Ferrari


• Software.

Funciones del VI:

Configuración de los parámetros de adquisición:

Frecuencia de muestreo (rate)

Tamaño del buffer de muestras

Cálculo de los valores RMS de la señal de tensión y de corriente


M. Ferrari


• Software.

Funciones del VI:

Cálculo del espectro de amplitud y de fase


M. Ferrari


• Software.

Funciones del VI:

Cálculo de la potencia activa

Cálculo de la potencia reactiva


M. Ferrari


• Software.

Funciones del VI:

Trigger.


M. Ferrari


• Software.

Funciones del VI:

Conteo de revoluciones y de pulsos luminosos.


M. Ferrari


• Software.

Funciones del VI:

Registro de las mediciones.


M. Ferrari


• Software.

Funciones del VI:

Registro de las mediciones.


M. Ferrari


• Software.

Funciones del VI:

Ver Anexo C


M. Ferrari



M. Ferrari



M. Ferrari

CAPÍTULO 6: VERIFICACIÓN DE LAS MEDICIONES

DEL INSTRUMENTO VIRTUAL (VI)


M. Ferrari


1.Primera instancia: Identificación.


M. Ferrari


2.Segunda instancia. Conexionado.


M. Ferrari


3.Tercera instancia: Ensayo de contraste.

NORMA IRAM 2413

A cada medidor se le realizaron cuatro ensayos

diferentes:

Ensayo N° 1

UN - IN - fN - cos φ = 1

error ≤ ±2%

Ensayo N° 2

UN - 10% de IN - fN - cos φ = 1

error ≤ ±2.5%


M. Ferrari



NORMA IRAM 2413

A cada medidor se le realizaron cuatro ensayos

diferentes:

Ensayo N° 3

UN - IN - fN - cos φ = 0.5

error ≤ ±2%

UN - 0.6% de IN - fN - cos φ = 1 >>> El disco debe girar continuamente

Ensayo N° 4

UN - 0.1% de IN - fN - cos φ = 1 >>> El disco no debe dar más de una vuelta


M. Ferrari



NORMA IRAM 2413


M. Ferrari



NORMA IRAM 2413


M. Ferrari

CAPÍTULO 7: ANÁLISIS EXPERIMENTAL3.Tercera instancia: Ensayo de contraste.

NORMA IRAM 2413


M. Ferrari

CAPÍTULO 7: ANÁLISIS EXPERIMENTAL4.Cuarta instancia: Ensayos en condiciones no sinusoidales.

•Ensayo N°1. Carga: Lámparas incandescentes.

•Ensayo N°2. Carga: Lámparas fluorescentes compactas.

Carga ensayada Lámparas fluorescentes compactas

Tiempo de ensayo [HH:MM:SS] 45:40:22

Tensión RMS promedio [V] 224.50

Corriente RMS promedio [A] 0.65

THDv promedio [%] 3.23

THDi promedio [%] 98.17

Potencia activa promedio [W] 97.89

Potencia reactiva promedio [VAr] (Método 1*) - 30.91



Potencia aparente promedio [VA] 145.78

Factor de potencia verdadero 0.6717593

Factor de desplazamiento 0.9546791

Energía activa [Wh] 4469.93

Energía reactiva [VArh] (Método 1*) - 1411.52



*Método 1: Harm. 49 - *Método 2: Desp. T/4 - *Método 3: Q2=S2-P2


M. Ferrari




M. Ferrari




M. Ferrari




M. Ferrari



Medición de energía activa

Medidor Error relativo [%]

5 -2.31

2 -2.27

3 -0.96

4 -0.96

8 -6.30

9 (Act.) -5.08

10 -5.62

12 (Act.) -4.93


M. Ferrari


•Ensayo N°3. Carga: PC (sin monitor).

•Ensayo N°4. Carga: PCs y monitores.

•Ensayo N°5. Carga: PCs, monitores, lámparas incandescentes y LFCs.

•Ensayo N°6. Carga: Lámparas incandescentes dimerizadas (THDi: 20%).





M. Ferrari


•Ensayo N°10. Carga: Lámparas incandescentes dimerizadas con capacitores

en paralelo (THDi: 50%).

•Ensayo N°11. Carga: Lámparas incandescentes dimerizadas con inductancias

en paralelo (THDi: 50%).

•Ensayo N°12. Carga: Lámparas incandescentes con capacitores en paralelo.

•Ensayo N°13. Carga: Lámparas incandescentes con inductancias en paralelo.

•Ensayo N°14. Carga: Lámparas LFC con tensión distorsionada.


M. Ferrari

CAPÍTULO 8: RESULTADOS – CAPÍTULO 9: CONCLUSIONES

• Medición de energía activa mediante medidores analógicos.


M. Ferrari



- No se evidenció una tendencia de comportamiento

estrictamente definida

- Trabajos [35] y [36]; dos grupos de factores que influyen en el

error cometido por los medidores de activa de inducción ante

cargas no sinusoidales: los factores internos y los factores

externos al medidor.


M. Ferrari


M. Ferrari



En cuanto a los factores externos se llevó a cabo un estudio más

detallado, ya que para cada carga ensayada se obtuvo el

espectro armónico de amplitud y de fase para la tensión y para la

corriente.


M. Ferrari




M. Ferrari




M. Ferrari



No se pudo establecer una conclusión fehaciente como en los trabajos [35] y

[36] (cabe destacar que en los mismos se llegaron a conclusiones ensayando

los medidores con armónicos individuales mediante el empleo de fuentes

generadoras de armónicos, caso contrario al presente trabajo en donde se

utilizaron simultáneamente componentes de diversas frecuencias).

No cometieron errores significativos ante las distintas cargas aplicadas, manteniéndose

en la mayoría de los casos bajo la cota de error establecida por la clase del instrumento,

lo cual concuerda con la mayoría de los trabajos investigados ([11], [12] y [37]).

Se puede afirmar que ante una combinación de armónicos de distintas frecuencias

originados por cargas de uso frecuente en ambientes residenciales, los contadores de

inducción de activa no se apartan de sus límites de error establecidos por el fabricante.


M. Ferrari



Del gráfico de la Sección 8.2.1.1 (en particular, de los ensayos 10, 11, 12 y 13), tal como se afirma

en el trabajo [11], que cuando la corriente adelanta a la onda de tensión (carga capacitiva; ensayos

10 y 12) los medidores tienden a girar a una velocidad mayor y por lo tanto a registrar una energía

en exceso. Caso contrario ocurre cuando la corriente atrasa a la tensión (carga inductiva; ensayos

11 y 13), haciendo que la energía registrada por los medidores sea menor a la que realmente es

demanda por la carga. Por lo tanto se puede decir que cargas capacitivas producen un efecto

económico perjudicial para el usuario y por lo tanto beneficioso para la empresa prestadora del

servicio. No obstante, este comportamiento no es significativo ya que el error registrado para

dichos ensayos se aparta levemente de la clase indicada por el fabricante.

Con respecto al ensayo 14, en donde se buscó aumentar la distorsión en la tensión por encima del

valor promedio que posee comúnmente la red (se logró un valor de THDv del 10 [%], valor máximo

ligeramente superior al permitido según las normas; el valor del THDi fue del 50 [%]), no se

evidenció un apartamiento fuera de la clase por parte de ninguno de los cuatro medidores, lo que

afirma la idea de que no necesariamente al aumentar el THDv y/o el THDi hace que se cometa un

error mayor en la medición, sino que el mismo depende también de la forma de onda de la tensión

y de la corriente, es decir, de los espectros armónicos en particular [11].


M. Ferrari


• Medición de energía activa mediante medidores digitales.


M. Ferrari



- Comportamiento similar

- Una única posible causa de error; caso contrario en los

medidores a inducción

- Frecuencia de muestro del procesador digital de las señales

eléctricas (PDS) [38]

- ensayos 2, 3, 4, 8, 9, 11 y 14 errores en defecto mayores a

los establecidos por la clase según el fabricante frecuencias no

son compatibles con la de muestreo de los medidores. (gráfico de

la 8.3.1. Relación Ih/I1 [%].)Frecuencias exceden el ancho de banda determinado por los PDS de los contadores


M. Ferrari




M. Ferrari



• Registran por debajo del consumo real cuando alimentan

cargas no lineales. (Se acentúa conforme aumenta la distorsión

en la corriente a igual distorsión en la tensión)

• Influencia directa en la facturación, beneficiando al consumidor

y por ende perjudicando a la empresa prestadora del servicio.


M. Ferrari



M. Ferrari


No siempre los medidores analógicos son más precisos que los

del tipo digital, tal como se afirma en el trabajo [11].

Sí se puede afirmar que los medidores digitales cometen errores

en defecto para todas las cargas ensayadas, no así, los

analógicos.

Reemplazo masivo de los instrumentos analógicos usuarios se

vean favorecidos en cuanto a la facturación de la energía

eléctrica


M. Ferrari


• Medición de energía reactiva mediante medidores digitales


M. Ferrari


• Medición de energía reactiva mediante medidores digitales

Aún no se ha puesto de manifiesto una definición

universalmente aceptada

Medición la energía mediante el método adoptado por el

fabricante del medidor en cuestión

Consultaron los algoritmos→ en LabVIEW

Gran mayoría de los ensayos → Valores no excedieron los

límites establecidos por su clase

Distorsión en la corriente superan el 100 [%]

Instrumentos digitales → Causa de error → Frecuencia de

muestreo [38]


M. Ferrari


• De todos los trabajos investigados y junto al presente, se puede concluir que no

existe una tendencia estrictamente definida en cuanto a la magnitud y al signo del

error en la medición de energía activa, ya que los resultados que se obtienen son

particulares para cada medidor y forma de onda ensayada. Por lo tanto, ninguna

inferencia estadísticamente válida puede realizarse para todos los medidores de

energía eléctrica monofásicos presentes en el mercado. La causa de este hecho se

debe a la gran cantidad de variables que intervienen, ya sean relacionadas con cada

medidor en particular como también con las condiciones de la red y de la carga en

cada ensayo. Lo que sí es evidente que las cargas no lineales alteran la forma de

onda de la tensión y de la corriente introduciendo armónicos. Estos son los

causantes del mal funcionamiento de los equipos eléctricos como es el caso de los

medidores de energía.

• Por último, para poder evaluar con mayor precisión las razones de los errores

observados en la medición de energía activa, es necesario contar con fuentes de

tensión y de corriente controlables que permitan inyectar armónicos con

determinados valores de amplitudes y de fases [35] – [36].

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