6-9 - medicion de perturbaciones
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INTRODUCCIÓN: PROBLEMÁTICA
Controlar la calidad para lograr la convivencia, asegurando:
Que las compañías eléctricas controlen y garanticen una adecuada calidad de suministro.Que los fabricantes desarrollen equipamientos con emisión limitada y con grado de inmunidad suficiente para garantizar su buen funcionamiento.Que el usuario final no sea susceptible a las perturbaciones existentes.
MEDICION DE PERTURBACIONES
Actores:
ESTABLECER DE REGLAS DE CONDUCTA
COMPAÑIAS ELECTRICAS
USUARIOS DE ENERGIA
FABRICANTES DE EQUIPAMIENTOS
VERIFICACIÓN MEDIANTE MEDICIONES
Dr. Gabriel Salazar
MEDICION DE PERTURBACIONES
ELECTRICAS
Dr. Gabriel Salazar
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INTRODUCCIÓN: CONTROL DE CALIDAD
MEDICION DE PERTURBACIONES
Ejemplo: para evaluar el desempeño de las empresas de electricidad se establecen ciertos índices abarcando distintos aspectos factibles de control, asegurando un servicio confiable y un producto eléctrico dentro de las normas de compatibilidad electromagnética.
REGISTRADOR DE PERTURBACIONES
SAGSSWELL
MICROCORTES
CÁLCULO ADMINISTRATIVONIVELES DE PARÁMETROS
CALIDAD DEL SERVICIO
COMERCIAL
ANAL RED / SCADADURACIÓN DE INTERRUPCIÓN
LIBRO DE GUARDIAFREC. DE INTERRUPCIÓNCALIDAD DEL SERVICIO
ELÉCTRICO
ANALIZADOR DE ARMÓNICOS
DISTORSIÓN ARMÓNICA
TRANSITORIOS
FLICKERMETERFLUCTUACIONES
PERTURBACIONES
ANAL. DE REDESV, I, P, etc.NIVELES DE PARÁMETROS
CALIDADDE
PRODUCTO ELÉCTRICOCALIDAD
ENEMPRESAS
DISTRIBUIDORASDE
ENERGIA
EquipoMedición
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Los fenómenos que deterioran la Calidad de Producto:
Amplia variedad de fenómenos distintos
Fenómenos transitorios (de solo unos pocos microsegundos de duración)
Problemas de carácter más estacionario como armónicos
Fenómenos intermitentes como es la tensión flicker.
MEDICION DE PERTURBACIONES
INTRODUCCIÓN: EQUIPOS DE MEDICIÓN
A lo largo de los años se han desarrollado una amplia variedad de equipamientos que permiten la medición e investigación de
los fenómenos asociados a los sistemas eléctricos. En particular existen algunos muy específicos relacionados con la calidad del
producto técnico eléctrico.
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Equipos Disponibles:
MEDICION DE PERTURBACIONES
EQUIPOS DE MEDICIÓN: DISPOMIBILIDAD EN EL MERCADO
MultímetrosOsciloscopios.Sistemas de adquisición de datos.Analizadores y registradores de eventos.Analizadores de armónicos o espectro.Medidores de flicker (flickmeter).Combinación de analizadores y registradores.Medidores de energía.Instrumental de verificación de cableado y puestas a tierras.
Para la elección adecuada debe conocerse las características funcionales de cada uno de ellos y contar con información
relacionada al tipo de fenómeno. Por otra parte, este fenómeno puede no ser conocido de antemano y en cuyo caso debe establecerse un
orden prioritario de uso.
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EQUIPOS DE MEDICIÓN: JUSTIFICACIÓN
Pueden presentarse dos situaciones bien definidas:Evaluación del estado de la calidad un punto o nodo de un sistema eléctrico, con fines de contralor o investigación.Identificación de una perturbación que ocasiona un problema conocido, ejemplo: fallas en sistemas computacionales, deterioro de componentes en una instalación, calentamiento de motores, etc.
SagAC contactors trip outHigh voltageLight globes fail excessively
Low voltage, unbalance, harmonicsOverheating motorHarmonicsCapacitors fail
Voltage fluctuationsLight flickerHarmonicsRacing clock
SagClock resettingImpulsive transientsDestruction of electronic equipment
Sag or oscillatory transientTrip-out of motor drive or PLCHarmonicsOverloaded neutral
Causa PosibleSíntoma
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Más allá de las características funcionales de cada equipamiento, hay factores comunes que deben considerarse para la selección, los más importantes son:
Cantidad de canales de medición, monofásico o trifásico con o sin registro de neutro y tierra.Rangos de entradas, valores nominales y máximos soportados.Respuesta en frecuencia del equipamiento y sus accesorios.Precisión, resolución vertical para aquellos de tipo digital.Facilidades (interfaz de usuario, capacidad de almacenamiento, graficación, cálculo en línea o fuera de línea, etc.).Capacidades de comunicación local o remota (RS-232, GPIB, módem, Ethernet).Aislación de entradas (galvánica, opto-acopladas), medición diferencial o de modo común.Condición de operación (temperatura, humedad, etc), robustez.Requerimientos de alimentación (tipo portátil o fijo).Software de análisis de datos, de comunicación.Documentación (métodos de cálculo, esq. de adquisición, etc).
EQUIPOS DE MEDICIÓN: CARACTERÍSTICAS
MEDICION DE PERTURBACIONES
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Desde el punto vista de la medición de calidad del producto eléctrico, las perturbaciones pueden clasificarse en tres grupos:
MEDICIÓN DE PERTURBACIONES: INTRODUCCIÓN
PERTURBACIONES
PERTURBACIONES TRANSITORIAS Y
DE CORTA DURACIÓN
ARMÓNICOS E
INTERARMÓNICOS
FLUCTUACIONESDE TENSIÓN
(FLICKER)
SEÑAL DE ENTRADASEÑAL CONTINUA(VALOR Y TIEMPO)
SEÑAL DE SALIDA(VALORES BINARIOS EN TIEMPOS DISCRETOS)
Muestreo Y Digitalización
En cualquier caso las señales a medir (tensión y corriente) deben convertirse a valores discretos, apta para ser procesada mediante un sistema computacional.
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Las señales discretas pueden ser analizadas y procesadas permitiendo nosolo la captura de eventos, sino también pueden conocerse todas las
perturbaciones encontradas en un punto de medición, siempre partiendo de las mismas señales analógicas.
MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE PERTURBACIONES: DIAGRAMA BLOQUES
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MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE PERTURBACIONES: ESQUEMA BÁSICO
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a) señal continua en tiempo y valor b) señal continua en tiempo y discreta en valor
c) señal discreta en tiempo y continua en valor d) señal discretizada
MEDICION DE PERTURBACIONES
MUESTREO Y DIGITALIZACIÓN: INTRODUCCIÓN
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Muestreo (Sample): Toma muestras a intervalos iguales de tiempo.
Retención (Hold): Mantiene el valor de la muestra hasta digitalizarla.
Cuantizador (digititalizador) y codificador: Convierte el valor analógico a un valor digital. (Error de cuantificación).
Reloj (clock): Dispositivo que maneja la velocidad a la cual se realiza el proceso.
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0101
analog signal digital signalsample hold quantize encode
clock frequency(sampling frequency)
MUESTREO Y DIGITALIZACIÓN
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MEDICION DE PERTURBACIONES
Tres Conceptos importantes:
1. Velocidad de muestro o frecuencia de reloj: debe ser adecuada evitando perdida de información o introducción de errores por efecto de “aliashing”(cumplimiento del teorema del muestreo).
2. Número de bits del convertidor A/D, en relación directa a la cantidad de niveles de cuantización y por ende al mínimo cambio en el valor de la señal de entrada que podrá ser detectado.
Donde N es el número de bits del dato de salida.
Ejemplo: Con 12 Bit: 212 = 4096 niveles de cuantización posibles.Con 16 Bit: 216 = 65536 niveles de cuantización posibles.
Si se asume un nivel máximo de señal de entrada y se aplica:
MUESTREO Y DIGITALIZACIÓN
N2Vertical Resolucion =
detectadoser a señal de cambio mínimo 2 / entrada de max. Nivel =N
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MEDICION DE PERTURBACIONES
MUESTREO Y DIGITALIZACIÓN
3. Muestreo concurrente o simultáneo en la adquisición de distintas señales (tensiones y corrientes):
En el primer caso la conversión de señales es realizada en una sola unidad A/D utilizando multiplexado de canales (características: retardo entre las muestras tomadas en los distintos canales, equipos de menor costo, no necesitan una unidad de sincronización entre convertidores, retardo constante).
En el caso de equipos realizan el monitoreo simultáneo, utilizan un conversor A/D para cada canal y necesitan sincronismo.
Actualmente los equipos especializados, cuentan con conversiones simultáneas y debido a la cantidad de datos a procesar en tiempo real, cada canal tiene asignado una unidad de procesamiento (CPU). Existen dispositivos electrónicos que agrupan el muestreo, la digitalización y el pre-procesamiento, como son μC (microcontroladores) o DSP (Digital Signal Processor). Posteriormente la información preprocesada de cada canal es tratada por una unidad de procesamiento principal (administración de memoria, caracterizadores, presentación de resultados, comunicación, etc).
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MEDICION DE PERTURBACIONES
TEOREMA DEL MUESTREO: EFECTO DE ALIAS
camera
camera
a)
b)
a) Se toman 3 fotografías instantáneas separadas un intervalo de tiempo entre ellas y el efecto observado es que la rueda tiene un sentido de giro inverso al real.
b) Se toman 2 fotografías instantáneas separadas un intervalo de tiempo mayor que en a) y se observa que el giro es el correcto aunque con velocidad menor.
En ambos casos la cantidad de fotografías es insuficiente para determinar la velocidad real del giro de la rueda.
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Análogamente en la medición de señales eléctricas, si la velocidad de muestreo es demasiado baja comparada con la las frecuencias de la señal a examinar, se obtendrá una visión errónea del espectro de frecuencia que compone esa señal.
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TEOREMA DEL MUESTREO: EFECTO DE ALIAS
a) b)
c)
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Una señal periódicamente muestreada puede ser reconstruida si cumple el Teorema de muestreo o Shannon. Este concepto, también citado como criterio de Nyquist, enuncia que:
MEDICION DE PERTURBACIONES
TEOREMA DEL MUESTREO: TEOREMA DE SHANNON
La frecuencia de muestreo (fm) mínima debe ser al menos el doble de la máxima frecuencia que compone la señal a
ser muestreada (fmax).
fm > 2 fmax ó ΔT < 1 / 2 fmax
fmax frecuencia máxima de la señal
fm frecuencia de muestreo
ΔT intervalo de muestreo
El criterio de Nyquist enuncia el mismo principio desde el otro punto de vista. La frecuencia de Nyquist o máxima frecuencia de la señal de entrada debe ser la mitad de la frecuencia de muestreo.
FNyquist = 1 / 2 ΔT
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Considere estudiar los armónicos en un sistema eléctrico: Si se pretende analizar armónicos hasta del orden 50º (2500 Hz), la frecuencia de muestreo mínima que satisface el teorema de Shannon es:
f m > 2 x 50 x fo donde fo es la frecuencial de la fundamental (50 Hz).
La relación anterior se cumple tomando 100 muestras por ciclo.
Si se considera que para aplicar el algoritmo de la transformada rápida de Fourier(FFT) debe además contarse con 2P muestras, siendo P un numero entero, el valor mas bajo de P que satisface ambos requerimientos es 7 logrando 128 muestras por ciclo. Esto significa que se requieren al menos 128 muestras por ciclo para aplicar FFT cumpliendo el teorema de Shannon enunciado anteriormente.
MEDICION DE PERTURBACIONES
TEOREMA DEL MUESTREO: EJEMPLO
Si bien debe asegurase el cumplimiento del teorema, la velocidad de muestreo puede estar condicionada por el
procesamiento a realizar con los datos obtenidos
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Evitar el efecto de alias mediante la utilización de altas frecuencias de muestreo, no es siempre posible por diferentes razones:
• Altos costos del hardware necesario (conversores rápidos son más caros).
• Grandes tiempos de cálculo (gran cantidad de muestras a procesar).
• No es conocida la máxima frecuencia involucrada.
MEDICION DE PERTURBACIONES
FILTROS ANTIALIAS
Solución: seleccionar una frecuencia de muestreo acorde al análisis que se pretende realizar y acotar el rango de frecuencias que componen la señal. Esta tarea puede realizarse mediante el uso de un filtro pasa bajo o “Filtro Antialias” emplazado antes del proceso de muestreo y digitalización.
Frecuencia de muestreo mayor al doble de la frecuencia de corte del filtro
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Este filtro pasa bajos antialias es un componente muy importante en cualquier sistema de adquisición y procesamiento de datos, y puede ser implementado mediante diferentes técnicas analógicas, digitales o bien una combinación de ambas. La figura presenta la situación con un filtro analógico de entrada y uno digital implementado luego de la conversión A/D.
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Los filtros analógicos brindan una función adicional removiendo picos espurios de alta frecuencia o ruido.
La imposibilidad de los filtros digitales de lograr esto, lleva al problema de que si estos picos se ubican cercanos al rango máximo de entrada, la señal es digitaliza conjuntamente con esa saturación.
FILTROS ANTIALIAS: TIPOS
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Frecuencia de corte (fCUT-OFF) definida –3dB por de bajo de la respuesta en la banda pasante (APASS)
Frecuencia (fSTOP) en la cual se alcanza la máxima atenuación (ASTOP)
Ripple en la banda pasante (ε)
Numero de polos
MEDICION DE PERTURBACIONES
Un filtro ideal brinda una respuesta plana en su banda de paso con una caída abrupta para la frecuencia de corte, dos características puramente ideales e imposibles de lograr mediante componentes reales. Esto es aun peor, al observar que para mejorar alguna de
estas características se debe dejar de lado alguna otra.
FILTROS ANTIALIAS ANALÓGICOS: CARACTERIZACIÓN
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Según los elementos utilizados para su construcción: Pasivos y Activos
Según su respuesta: Bessel, Butterworth y Chebyschev.Estos diseños presentan relaciones de compromiso entre los parámetros que caracterizan los filtros y según la aplicación particular podrá realizarse la elección mas adecuada con el número de polos acorde.
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FILTROS ANTIALIAS ANALÓGICOS: CLASIFICACIÓN
Respuesta frecuencia
Respuesta al escalón
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En el análisis de calidad de producto, como medición de armónicas, la información está en las frecuencias involucradas y no la forma de las ondas. Con lo que un filtro con una respuesta aceptable en la banda de paso y una caída abrupta después de la frecuencia de corte seria adecuado, sin considerar su respuesta temporal ante una entrada escalón.Consideraciones:
MEDICION DE PERTURBACIONES
Mantener la frecuencia de corte del filtro justo por encima de aquellas a analizar e incrementar la frecuencia de muestreo tal que para las
componentes en la banda de transición no se produzca el efecto de alias aunque estas componentes sean posteriormente descartadas.
fSTOP = fS/2.
FILTROS ANTI ALIAS: CALIDAD DE PRODUCTO
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La adquisición de las muestras es realizada durante un periodo de tiempo, es decir se observa a la señal de entrada durante este periodo de tiempo denominado ventana de observación.
MEDICION DE PERTURBACIONES
VENTANA DE OBSERVACIÓN
TW = 2 x T
TW = (2 x T) - 2 Δt
Truncamiento
TW = (2 x T) - T/4
Un análisis frecuencial evidenciaría frecuencias que no son propias de la señal original y que se introducen por el truncamiento.
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Efecto de dispersión:
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Con la finalidad de disminuir la dispersión debe adoptarse una ventana con una duración igual a un múltiplo m de la frecuencia fundamental:
TW = (m x T) con m = 1,2,3, ….n
VENTANA DE OBSERVACIÓN: DISPERCIÓN FRECUENCIAL
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La señal en el tiempo esta formada por dos senoides: una coincidente con una frecuencias bases (ciclos enteros dentro de la ventana) y otra levemente diferente.
MEDICION DE PERTURBACIONES
VENTANA DE OBSERVACIÓNLas frecuencias involucradas no son siempre conocidas y en ciertas aplicaciones es difícil elegir una ventana que contenga un número entero de ciclos.
Ejemplo:
dispersión
Con la finalidad de disminuir la dispersión puede adoptarse una ventana que suavice el efecto de
dispersión evitando los saltos entre ventanas sucesivas
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En ciertas aplicaciones es difícil la elección correcta de la ventana, porque no se conoce el periodo de la señal o bien no es constante. En este caso el efecto de dispersión estásiempre presente y para disminuirlo pueden adoptarse ventanas de formas especiales (factor de peso).
MEDICION DE PERTURBACIONES
VENTANA DE OBSERVACIÓN: TIPOS
IEC 1000-4-7 (1991) recomienda para el análisis de armónicos en estado cuasi-estacionario (variación lenta de armónicos), se utilice una ventana rectangular de ancho TWentre 0.1y 0.5 seg
Cualquiera de las ventanas utilizadas afecta el espectro original, obligando a observar las frecuencias componentes de la señal original a través del lóbulo central y adicionando
lóbulos laterales según la ventana utilizada.
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MEDICION DE PERTURBACIONES
ANALISIS DE FOURIER: GENERALIDADES
Una señal puede ser representada por una suma de señales senoidales y cosenoidales de cierta amplitud y frecuencia.
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MEDICION DE PERTURBACIONES
ANALISIS DE FOURIER: GENERALIDADES
Una señal periódica infinita a analizar resulta en un numero finito de señales bases.Se analiza una señal que resulta de la
multiplicación de la señal original por la ventana de observación.
Variaciones del análisis de Fourier según el tipo de señal a analizar.
Particularidades y observaciones
Es muy importante elegir correctamente los parámetros de la DFT
•La frecuencia de muestreo esta sujeta al teorema de Shannon y frec. a analizar
•El ancho de la ventana esta fuertemente relacionado a la resolución frecuencial a lograr
muestrasNFmresoluciónR /)( =
Ventana1/Anchoón)R(resoluci =
Según IEC61000-4-7 Vent 0.1 a 0.5 seg., es decir 5 a 25 ciclos (50Hz)Analizar hasta armónica: 40F. muestreo > 4000 Hz
Asumiendo 128 muestras/ciclo (Fm:6400Hz) y 4096 muestras a procesar, se tiene una ventana de 0.32 seg y una resolución en frecuencia de 3.12 Hz.
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MEDICION DE PERTURBACIONES
ANALISIS DE FOURIER: FFT
El cálculo de una DFT requeriría aproximadamente N2 multiplicaciones complejas y N2 sumas complejas para realizar el análisis sobre N puntos.
Lo que consigue el algoritmo FFT es simplificar enormemente el cálculo introduciendo “atajos” matemáticos para reducir drásticamente el número de operaciones.
Una variante de la DFT es la un algoritmo, llamado FFT, que realiza la transformación de forma eficiente y rápida.
Debe cumplirse que el valor de N es igual a Rm. Al factor R se le denomina radix y su valor más habitual es 2, de forma que N=2m y el algoritmo
se denomina FFT radix-2.
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Perturbaciones de carácter transitorio o corta duración son generalmente no repetitivas y de características únicas. Su medición consiste en la captura de un evento de corta duración (sags, swell, microcortes, transitorios, pikes, etc.)
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PERTURBACIONES TRANSITORIAS o CORTA DURACIÓN
La captura de eventos de corta duración a sido favorecida por los avances en la electrónica digital y las arquitecturas microprocesadas. Anteriormente el análisis estaba limitado al solo hecho de conocer la existencia o no de una perturbación, y a lo sumo podían incrementarse contadores para un posterior análisis de tipo estadístico.
DETECTOR DE NIVEL
INDICADOR / CONTABILIZADOR
UMBRAL DE DETECCION
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PERTURBACIONES TRANSITORIAS o CORTA DURACIÓN
DETECTOR DENIVEL ANÁLISIS
PROCESAMIENTOGRAFICACION
UMBRAL DE DETECCION
Vent.
ADQUISICIÓN DE DATOS
buffer circular
Pre-disparo Pos-disparo
Disparo
Las técnicas de adquisición de datos en conjunto con el almacenamiento de tipo circular, permiten la captura de la forma onda incluyendo ciclos de señal antes y después al disparo producido por el evento.
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La principal razón para el registro de perturbaciones transitorias o de corta duración, es poder comparar las características de estos con aquellas usadas para verificar la inmunidad de los equipos eléctricos y electrónicos conectados a la red eléctrica.Concepto IFQ (Indicateur de Qualité de fourniture) de la Electricité de France:
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PERTURBACIONES TRANSITORIAS: CARACTERIZACIÓN
Un valor rms instantáneo es calculado cada ½ ciclo y comparado con un umbral, en caso de ser superado se activa un contador de tiempo hasta que el voltaje se restablece. El lapso de tiempo contado es comparado con un umbral de tiempo, y en caso de ser también superado, es declaro como evento registrando su duración, valor medio rms instantáneo alcanzado y forma de onda
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Los eventos caracterizados, pueden ser superpuestos sobre curvas de inmunidad dando una indicación directa del perjuicio que pueden ocasionar a un equipo conectado al mismo punto del sistema.
Ejemplo de estas curvas es la denominada CBEMA, considerando equipamientos computacionales, o bien las posteriormente generalizadas para otros equipamientos electrónicos como la ITIC, SEMI F47, etc.
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PERTURBACIONES TRANSITORIAS: CARACTERIZACIÓN
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Los armónicos son señales de tensión o corriente con frecuencias múltiplos enteros de la frecuencia para la cual el sistema de suministro está diseñado (50Hz ó 60Hz). Estos armónicos combinados con la tensión fundamental de tensión o corriente generan una forma de onda distorsionada.
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MEDICIÓN DE ARMÓNICOS: INTRODUCCIÓN
Las ondas distorsionadas periódicas pueden representarse como una sumatoria de señales senoidales y cosenoidales (teoría de Fourier), de frecuencias múltiplos
enteros de la frecuencia fundamental
La medición de una armónica para una frecuencia dada, consiste en medir la potencia de la señal para esa frecuencia. Es decir, si se cuenta con la señal
distorsionada deben identificarse las distintas señalas periódicas que contribuyen a esa distorsión
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Electrónicamente puede utilizarse un filtro pasa-banda ajustado a la frecuencia a medir. Para conocer las distintas componentes de frecuencia podría utilizarse un conjunto de estos filtros.
Una herramienta más adecuada es la transformada de Fourier (FFT), discretizandola señal y posteriormente procesándola mediante un sistema computacional. Este análisis permite conocer los coeficientes an y bn para las distintas frecuencias armónicas fn siendo n un múltiplo entero de la fundamental.
MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE ARMÓNICOS: CARACTERIZACIÓN
22nnn bac += ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= −
n
nn b
a1tanϕAmplitud armónicos Cn y fase relativa al fundamental:
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La identificación de armónicos, preferentemente debe realizarse sobre mediciones de tensión y corrientes para un mismo punto del sistema. Las cargas no lineales inyectan corrientes armónicas y el resultado es la distorsión de la de tensión, siendo esta tensión aplicada a otras cargas.
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MEDICIÓN DE ARMÓNICOS: MEDICIÓN
.
.
La medición de armónicos de corriente permite caracterizar el comportamiento de un usuario o carga, o bien un conjunto de estos
Las mediciones de tensión ayudan a caracterizar la respuesta del sistema ante la generación de corrientes armónicas
Asumiendo un suministro senoidal, cada armónico de corriente a través de la impedancia del sistema causa distorsión de tensión (distinta distorsión en lugares diferentes del sistema).
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Esquema general de un Analizador de Armónicos según Norma IEC 61000-4-7(1991)
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MEDICIÓN DE ARMÓNICOS: ANALIZADOR
1. Filtro antialias.2. Bloque de sincronización.3. Muestreo y Retención (sample and
hold).4. Convertidor A/D (analógico a
digital).5. Bloque de ventana de inspección
(forma de la ventana utilizada).
6. Procesador para el cálculo FFT.7. Procesador aritmético.8. Unidad para evaluación de
armónicos transitorios.9. Clasificador programable.10. Contador y unidad de
almacenamiento.
Un importante componente no incluido, es aquel relacionado con la adaptación de las señales de entrada, transformadores de tensión y corriente. Para medidores de armónicas,
esta interfaz adquiere importancia en relación al ancho de banda (armónico de mayor orden).
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• Capacidad de calcular magnitud y ángulo de fase de los armónicos individuales (flujo de armónicos y localización de fuentes perturbadoras).
• Sincronización y velocidad de muestreo adecuada (análisis de alto orden).
• Capacidad de medir tensión y corriente simultáneamente (impedancia del sistema en el punto de medición analizada para distintas frecuencias).
• Capacidad de autoajuste con cambios en las condiciones de carga (escalamiento)
• Capacidad de procesamiento en tiempo real de las muestras capturadas.
• Capacidad de almacenamiento suficiente.
Además de lo básicos definido en IEC, puede disponer de : Puertos de comunicación (serie RS232, Ethernet, GPIB), Teclado, Display, etc.
MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE ARMÓNICOS: ANALIZADOR
En general debe incluir las características siguientes:
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Es el efecto mas notable de las fluctuaciones de tensión. También llamado parpadeo, el Flicker es la sensación visual que experimenta un observador sometido a cambios o variaciones de la intensidad luminosa.
La molestia visual debida a este fenómeno depende de la magnitud, las componentes de frecuencia y la persistencia de la perturbación. Por otra parte esta es diferente de persona a persona, dependiendo de la sensibilidad y reacción del sistema ojo-cerebro.
MEDICION DE PERTURBACIONES
Debe ser evaluada en términos estadísticos
MEDICIÓN DE FLICKER: INTRODUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN
El método adoptado para la caracterización, es la medición de la fluctuación luminosa de una lámpara incandescente y la evaluación de la molestia provocada.
Los instrumentos de medición deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
• Característica de las variaciones de tensión: suaves o repentinas y de magnitudes distintas, considerando las no mayores al 10% de Vn (comp. de fuentes perturbadoras)
• Característica frecuencial de la lámpara incandescente: Los cambios de intensidad luminosa dependen de la inercia térmica (tipo de lámpara, filamento, potencia, etc.).
• Característica frecuencial sistema ojo-cerebro: El ojo tiene un comportamiento de filtro pasa banda con amplitud variable, (sensibilidad variable, máxima alrededor de 10Hz). El cerebro tiene una característica integral, se adapta a los cambios lentos de iluminación percibiéndolos en menor medida y elimina también aquellos suficientemente rápidos
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MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE FLICKER: ANALIZADOR
IEC 61000-4-15, propone un diagrama en bloques simplificado del flickmeter
1. Adaptación de señal, circuito de calibración o escalamiento dinámico a un valor RMS promedio.
2. Demodulador de ley cuadrática (respuesta de la lámpara).
3. Filtro pasa-banda representando la lámpara incandescente. (0.05 Hz a 35Hz) Debe ser de orden elevado (Butterworth de sexto orden) con atenuaciones de 90 dBpara el doble de la frecuencia de corte.
4. Filtro de pesado (sensibilidad pasa-banda del ojo humano)
5. Funciones de potencia cuadrática y suavizado. Los cambios positivos y negativos provocan misma sensación (squaring). Mediante el filtro pasa-bajo de primer orden, se realiza la integración característica del cerebro humano (suavizado). sensación instantánea de flicker (IFL)
6. Tratamiento estadístico, obtención de coeficientes de severidad de flicker (PST y PLT).
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La curva propuesta por IEC es presentada en la figura. Puede apreciarse una mayor respuesta para fluctuaciones de tensión de 8.8 Hz, logradas para variaciones del 0.3% de la tensión nominal y evaluadas utilizando una lámpara de filamento de tungsteno de 60 W/230 V.
MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE FLICKER: SENSIBILIDAD OJO-CEREBRO
El estándar IEC-868 e IEC-61000-4-15 también propone el tratamiento estadístico a realizar. Definen un modelo de instrumento para medición normalizada de flicker usando un procedimiento que es igualmente aplicable a cualquier clase de fluctuación de tensión. En este instrumento una salida igual a la unidad es el nivel a partir del cual se percibe la sensación de flicker (PST =1).
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MEDICIÓN DE FLICKER: CALCULO ESTADÍSTICO
Debido al comportamiento aleatorio de algunas cargas, los niveles instantáneos de flicker pueden tener, durante el tiempo de evaluación, un comportamiento ampliamente variable y difícil de calificar. Por lo tanto es importante considerar los máximos niveles alcanzados y el porcentaje de tiempo del período de observación en la que dichos niveles fueron alcanzados. Es decir se requiere de una función que relacione los niveles de sensación de flicker y el correspondiente porcentaje de duración.
Los pasos propuestos por IEC para establecer esta función son los siguientes:
• Medir durante el período de observación los niveles de sensación instantánea ILF.
• Clasificarlos de acuerdo a su valor y según niveles o clases establecidas, obteniendo luego la distribución estadística.
• Al finalizar el período de observación fijado, realizar el cálculo de la Función de Probabilidad Acumulada (CPF).
Método estadístico de clasificación denominado de "nivel - tiempo".
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MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE FLICKER: CALCULO ESTADÍSTICO
Representación gráfica de los niveles de sensación de flicker instantáneos (IFL) en el tiempo (el eje de sensación de flicker ha sido subdividido en niveles o clases). Cada vez que ocurre un nivel dado, un contador de clase se incrementa en uno. Al final del intervalo de medición se tiene la distribución de la duración de los niveles de flicker versus las clases
Expresando el total de cada clase relativo a la suma de los contenidos de todos los contadores, se obtiene la función de densidad de probabilidad, curva CPF, donde por claridad solo se han utilizado un número pequeño de niveles de sensación o clases.
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Si las distribuciones obtenidas para diferentes tipos de cargas tuviesen forma semejante, estas curvas podrían ser bien caracterizadas mediante parámetros estadísticos tales como la media y la desviación estándar. Dado que no se está en tal caso y las distribuciones son muy diversas debe usarse un método de caracterización multipunto, mediante el uso de 5 puntos de referencia o percentiles pesados.
La evaluación estadística permite calcular, mediante la siguiente ecuación, los coeficientes de severidad una vez definidas las clases, periodos de observación y cada percentil:
PST = Indicador de la severidad de Flicker de corto tiempoK1 a Kn = coeficientes de pesado para cada percentilP1, P2, ...Pn = niveles de la curva CPF.
Definiendo los cinco puntos percentiles y coeficientes de peso:P0,1 nivel excedido por solo el 0.1% del período de observaciónP1 nivel excedido por solo el 1% del período de observaciónP3 nivel excedido por solo e 3% del período de observaciónP10 nivel excedido por solo el 10% del período de observaciónP50 nivel excedido por solo el 50% del período de observación
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MEDICIÓN DE FLICKER: CALCULO ESTADÍSTICO
nnST PKPKPKP +++= ....2211
5010311.0 08.028.00657.00525.00314.0 PPPPPPST ++++=
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MEDICIÓN DE FLICKER: CALCULO ESTADÍSTICO
El período de observación debe tener en cuenta la percepción human estudiada en pruebas y por otra parte debería elegirse según el ciclo de trabajo de la carga a analizar, a su vez es conveniente utilizar un periodo común para cualquier evaluación. El tiempo de observación de corto plazo adoptado por IEC es 10 min.
Este es suficientemente largo para evitar cambios de tensión aislados y también permite que una persona note la perturbación, a la vez es demasiado corto para lograr una caracterización detallada de equipos perturbadores que tengan grandes ciclos de trabajo.
Con el objeto de evaluar flicker donde se tenga la combinación de cargas perturbadoras aleatorias (soldadoras, motores, etc) con largos ciclos de trabajo, se define flicker de largo término (PLT) utilizando una ley de suavizado cúbica:
donde:PSTi (i = 1, 2, 3...) son las lecturas consecutivas de corto plazo.N: Número de PST usados para la evaluación
Un periodo de evaluación de dos horas es frecuentemente utilizado, en cuyo caso la ecuación anterior es aplicada para doce cálculos sucesivos de PST.
3 1
3
N
PP
N
iiTS
LT
∑==
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MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE FLICKER: CALCULO ESTADÍSTICO
La figura muestra la curva a partir de la cual se percibe el flicker (curva de igual severidad de flicker, PST = 1). En esta se indican las variaciones de tensión relativas ΔU/U [%] en función de los cambios por minuto para obtener la misma sensación de molestia.
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MEDICION DE PERTURBACIONES
MEDICIÓN DE FLICKER: FLICKMETERUIE (International Union for Electrohead) y adoptado por IEC868 y revalidado en IEC 61000-4-15
En este modelo los procesos de demodulación, filtrado, potencia e integración son realizados en forma analógica, mientras que la discretización es utilizada en su etapa final para llevar a cabo el procesamiento estadístico
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Otros medidores realizan todo el proceso en forma digital
MEDICIÓN DE FLICKER: FLICKMETER
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TRANSFORMADORES DE MEDICIÓN: INTRODUCCIÓN
Este es un componente esencial de cualquier sistema de medición del cual depende en gran parte la calidad de los resultados a obtener. Básicamente la función de estos elementos es la de adaptar los niveles de tensión y corriente de operación a valores manejables por la entrada de los instrumentos de medición.
Dos etapas adaptadoras de nivel:
La que comúnmente es parte de las instalaciones eléctricas y que reducen el nivel a medir desde valores de operación (cientos de Amper o miles de Volts) a niveles de medición del orden de 1 ó 5 A y 100 ó 110 V
Posteriormente estos niveles deben ser introducidos en los equipos de medición para lo cual es necesario adaptar nuevamente. Esta es principalmente en corriente (pinzas), ya que en tensón la mayoría de los equipamientos están habilitados a medir niveles de salida de la primera etapa (simple elementos de conexión).
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Los problemas típicos en la medición de perturbaciones suelen estar asociados a la primera etapa de adaptación. La segunda etapa es normalmente adquirida como accesorio de los propios equipos de medición y por lo tanto es de las características adecuadas.
Errores asociados a los transformadores de medición son:
• Errores en la medición de amplitudes pequeñas, baja sensibilidad (armónicos de tensión son generalmente de bajo porcentaje respecto de la tensión nominal de la red).
• Errores debido a la dependencia de la relación de transformación con la frecuencia debido a las resonancias en el transformador.
• Error en el ángulo de fase, esto es de influencia en la potencia medida y en la dirección del flujo de energía (problemas en la búsqueda o identificación de las cargas perturbadoras o generadoras de armónicos en la red).
• Comportamiento de filtro pasa bajo disminuyendo el ancho de banda de medición debido a capacidades internas.
Pueden utilizarse distintos conexionados y tipos de transformadores dependiendo de las instalaciones eléctricas en el punto de medición, niveles de tensión, etc. Debe conocerse las ventajas y desventajas de cada uno en relación a la medición que se desea realizar.
TRANSF. DE MEDICIÓN: ERRORES DE MEDICIÓN
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Básicamente son transformadores convencionales construidos con materiales más refinados y buenas técnicas de fabricación
TRANSFORMADORES DE TENSIÓN INDUCTIVOS
El nivel de tensión de operación enmarcará las características de construcción (número de espiras, aislación o separación entre espiras, etc.), y ello fijará también las capacidades parásitas del transformador. Estas capacidades y las inductancias propias de los bobinados provocan los efectos de resonancia que afectan considerablemente su respuesta respecto a la frecuencia.
En general: En media tensión (10 a 30 kV) frecuencias de resonancia próximas a 10 kHz.
En baja tensión estas frecuencias son aproximadamente 10 veces más altas.
En alta tensión la dependencia es muy relacionada a la construcción (número de vueltas, aterramiento del núcleo, etc.). El uso está limitado a frecuencias < a 1 kHz. Para muy altas tensiones la limitación es peor no pudiendo trabajar más allá de los 250Hz.
En todos los casos la respuesta en frecuencia depende de la carga y la magnetización remanente provocada por componentes de continua. Esto último es critico en condiciones con problemas de instalación o conexiones erróneas, donde aparecen pequeñas señales de “offset”, que rápidamente pueden llevar el transformador a saturación o muy cerca de esta.
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Dependencia de la relación de transformación con de la frecuencia
TRANSFORMADORES DE TENSIÓN INDUCTIVOS
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MEDICION DE PERTURBACIONES
TRANSFORMADORES DE TENSIÓN INDUCTIVOS
Dependencia de la relación de transformación con de la frecuencia
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Tienen buena respuesta hasta los 5 kHz en instalaciones de baja tensión, mientras que para el nivel de media tensión se consiguen respuestas aceptables hasta 1 kHz con un error inferior al 5 % y desfasaje de aproximadamente 5º.
La buena característica de los transformadores de corriente se debe a la baja impedancia del primario y debido al bobinado prácticamente en cortocircuito del secundario
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE INDUCTIVOS
Entre las pinzas de corrientes deben destacarse dos tipos: aquellas que conforman un transformador inductivo convencional y otras basadas en un sensor de efecto ”Hall” con capacidad de medir componentes de continua y mayor sensibilidad.
Otra muy importante característica de estas es que están construidas mediante un circuito electrónico activo generando una salida de tensión representativa de la corriente medida en valor y forma de onda (aptas para osciloscopios).
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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE INDUCTIVOSDependencia de la relación de transformación con de la frecuencia.
A: representa a pinzas de efecto Hall, B: puramente inductivas y C: pinzas basada en bobina de Rogowski.
Amplitud
Fase
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Ensayo sobre un modelo de pinza de medición de corriente basada en efecto Hall, disponible comercialmente
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE INDUCTIVOS
Ensayo sobre transformador de corriente tipo inductivo, exponiendo el error de medición para su utilización en baja tensión
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No muy adecuados en la medición de armónicos debido a que poseen distintas frecuencias de resonancias, pudiendo llegar a ser la primera tan baja como 100 Hz. No obstante esta característica puede ser mejorada si se utiliza solamente la parte capacitiva, en cuyo caso el transformador puede utilizarse hasta 100 o 150 kHz con la limitación de que deben estar cargados con alta impedancia.
Este tipo de adaptador de medida es casi exclusivamente reservado para aplicaciones de alta tensión principalmente por
razones de costo
TRANSFORMADORES DE TENSIÓN CAPACITIVOS
C1 L
C2
U1
UT R
T
C1 Capacitor de alta tensiónC2 Capacitor de baja tensiónL Bobina (impide descarga de C2
violenta)R Resistencia de amortiguamientoT Transformador para aislación
eléctrica entre los circuitos de alta y baja tensión
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Dependencia de la relación de transformación con la frecuencia en un transformador de tensión capacitivo
TRANSFORMADORES DE TENSIÓN CAPACITIVOS
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En la instalación de equipos de medición es importante considerar la disposición o conexionado de las etapas adaptadoras de nivel o transformadores de medición. La figura siguiente pone en evidencia la problemática si se analizan las potencias a medir en los terminales A, B, C y n de los esquemas.
TRANSFORMADORES DE MEDICIÓN: CONEXIÓN
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3 ××=×= IESS Z 33
3 ××=×= EISS Z
En la comparación de ambos diagramas, tanto las corrientes (IA, IB e IC) como las tensiones (EAB, EBC y ECA) desde el punto de vista de los terminales de conexión serán iguales y la potencia aparente total S puede calcularse como el triple de la potencia por fase (sistema equilibrado).
Para estrella para triangulo
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No obstante la definición, en registradores o analizadores de redes es necesario indicarcual es el esquema de conexión debido a que estos pueden realizar perfiles de carga individuales por fase en sistemas no necesariamente balanceados y para los cuales la potencia total es la suma de las potencias en cada fase.
Para esto, en el caso de conexión estrella el centro (neutro) es conectado al equipo y ante debido a la configuración del equipo, este mide la tensión fase-neutro y la corriente por cada fase, obteniendo la potencia por fase y la total mediante las siguientes expresiones.
Si se le indica erróneamente al equipo una estrella donde realmente los transformadores de medida están en triangulo, no se dispone del borne de neutro y cualquier medición de
tensión entre una fase y el neutro no conectado estaráafectado de errores
TRANSFORMADORES DE MEDICIÓN: CONEXIÓN
FnFaseZ IVS ×= − CnCBnBAnA IVIVIVS ×+×+×= −−−
Errores mayores ocurren en configuraciones de dos transformadores indicando al equipo una estrella o triangulo convencional. Más burdamente es si se indica un sistema monofásico pretendiendo medir uno trifásico.
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Conexión de transformadores
TRANSFORMADORES DE MEDICIÓN: TIPOS DE CONEXIÓN
Conexión de cargas y equipos
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TRANSFORMADORES DE MEDICIÓN: TIPOS DE CONEXIÓN
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TRANSFORMADORES DE MEDICIÓN: TIPOS DE CONEXIÓN
2 ½ Element 2-Element (3 PT and 2 CT)
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ANALIZADOR DE CALIDAD RPM (Reliable Power Meter)
Equipo de características integradas (analizador capaz de medir diferentes tipos deperturbaciones), desarrollado en base a tecnología de microprocesador y procesamiento de señales DSP, de gran robustez mecánica, portátil y autoalimentado
Channels 1-3 (used for phase conductor measurements)
Voltage: 100mV to 1000Vp (707VRMSmax) ±0.1% of full scale.
Impulses: 12 Vpeak to 6400 Vpeak ± 2% of full scale.
Nominal Frequency: 45 - 65 Hz ± 0.1 Hz
Channels 4–5 (for neutral and ground conductor measurements)
Voltage:10 mV to 100Vp (70VRMSmax) ± 0.1% of full scale.
Impulses: 1.2 Vpeak to 640 Vpeak ± 2% of full scale.
Channels 6 - 10 (for current measurements with current clamp)
Current: 0.01 - 5 Amps RMS ± 0.1% of full scale.
0.1 - 40 Amps RMS ± 0.1% of full scale.
1 - 1000 Amps RMS ± 0.1% of full scale.
10 - 3000 Amps RMS ± 0.1% of full scale
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MEDICION DE PERTURBACIONES
El equipo es configurable con distintas opciones de medición y en su versión más poderosa es capaz de registrar y analizar:
• Tensiones, Corrientes (verdadero RMS), Frecuencia, desbalance, con posibilidades de cambios de polaridad por software.
• Potencia y Energía por fases y total (Watts, VA, VAR, Factor de Potencia, Demanda, Potencia de distorsión).
• Funciones de Osciloscopio, examen de forma de onda (Osciloscopio de tiempo real que muestra formas de onda de tensión y corriente sobre las tres fases, incluyendo neutro y tierra, elaboración de diagramas fasoriales).
• Captura y Medición de Perturbaciones (voltage impulse waveforms, sags, swells, wave-shape faults, frequency deviations, True RMS voltage, True RMS current, con captura simultánea de la onda de corriente durante los eventos de voltage, clasificación en: Tipo I, II, y III según lo recomendado por EC&M’s-Publicación Nº5127: “Practical Guide to Quality Power for Sensitive Electronic Equipment.”. Representación contra con curvas de inmunidad CBEMA, ANSI, ITIC o de usuario).
• Flicker según IEC868 (Evaluación estadística, PST y PLT, Medición de severidad instantánea IFL)
• Armónicos de tensión y corriente (Espectro armónico hasta el orden 63º de la frecuencia fundamental 50 o 60 Hz, evolución temporal de los armónicos, THD y TDD)
ANALIZADOR RPM: CAPACIDADES DE MEDICIÓN
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ANALIZADOR DE CALIDAD RPM: ESQUEMA DE BLOQUES
Señales a medir atenuadas 2000:1, ó 200:1Señales < de 4kHz son discretizadas a 7680 muestras por segundo, obteniendo 128 m/c (fun=60 Hz). Conversor A/D de 14 bits con resolución de 100 mV p/ 707 Vrms.Procesador DSP, calcula la FFT hasta n=63ºen 100 μseg, ubicando el resultado RAM de 4 MBytes. Los datos son luego convertidos a un formato estándar de base de datos (dbf) y almacenados en disco rígido por microprocesador 386/+387.De la FFT se obtiene la fundamental y los cálculos de potencia y fluctuaciones Flicker.
Estas tareas son completadas en menos de 10 mseg para todos los canales, y con circuitos de entrada repetidos para cada señal es posible obtener datos en forma simultanea sin perder información, ciclo a ciclo.
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MEDICION DE PERTURBACIONES
ANALIZADOR DE CALIDAD RPM
Señales de alta frecuencias son discretizadas por otro conversor de 10 bits a 3.9 Ms, logrando una resolución de 12 V para 6400 V. Un circuito lógico especial coloca las señales discretas en una memoria (buffer) circular de 256 kBytes con una capacidad de 300 señales cada 100 μseg. Los datos en esta memoria son también administrados y llevados a disco por el procesador 386
No es necesario el ajuste de umbrales de tensión o tiempo. Los eventos son todos almacenados y la capacidad de memoria es administrada utilizando una técnica de umbral adaptivo (asigna un tamaño fijo de memoria para cada tipo de perturbación o parámetro)
Un máx. de 1500 eventos de tensión por cada entrada son permitidos, alcanzando un total de 6000 para tres fases y neutro, estos eventos disparan adquisiciones simultaneas de las señales de corriente aumentando la memoria involucrada.La memoria puede mantener 20000 eventos de alta velocidad, caracterizados con amplitud, duración y forma de onda. A cada evento se le asigna un coeficiente Q (nivel alcanzado x duración) que permite decidir y mantener en memoria los 20000 eventos mas severos descartando los menos perjudiciales.
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Adicionalmente, las señales de baja frecuencia son analizadas en cuanto a la forma de onda comparando el factor de distorsión THD de un ciclo al próximo e identificando diferencias mayores al 5%, estos eventos son capturados y almacenados en otro sector de memoria. De manera análoga eventos relacionados al valor RMS pueden identificarse si existen cambios de 2.5 Volts entre ciclos consecutivos.
ANALIZADOR DE CALIDAD RPM
Evento de valor RMS Eventos de Forma de OndaDesviación de THD
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ANALIZADOR DE CALIDAD RPM: INTERFAZ Y CONECTIVIDAD
No dispone de interfaz integrada y es operado vía conexión de un computador. La interconexión puede realizarse por medio de un puerto paralelo o ethernet de 10/100 MbitsEl software en el computador permite disponer de registros osciloscopio y medición en tiempo real, diagrama fasorial de tensiones y corrientes, cálculo de potencias, flicker instantáneo, armónicos, etc.Permite además el ajuste de parámetros de red y usuario, periodos de análisis y verificación de conexiones, estableciendo la condición de armado para la adquisición, la cual puede ser en forma inmediata o condicionada a un horario establecido (sincronización con otros equipos)
La interfaz ethernetpermite conectar más de un equipo en red y realizar monitoreo remoto. (enlace vía telefónica, dial-up o protocolo IP, internet protocol. (mantenimiento predictivo)
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Estos esquemas de medición son complementado con funciones de descarga de datos manual o automática (Polling) y generación de alarmas locales o remotas según umbrales predefinidos por el usuario, lo cual permite con un sistema de monitoreo flexible y versátil.
ANALIZADOR DE CALIDAD RPM: CONECTIVIDAD
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