calidad de energÍa · existen de dos tipos… • absorción (sintonizado): se diseñan...

CALIDAD DE ENERGÍA

Ing. Jorge Alejandro Hernández.

División Peninsular

Calidad de Energía.

La calidad de la energía se entiende cuando la energía eléctrica essuministrada a los equipos y dispositivos con las características ycondiciones adecuadas que les permita mantener su continuidad sinque se afecte su desempeño ni provoque fallas a sus componentes.

Podemos decir que existe un problema de calidad de energíaeléctrica cuando ocurre cualquier desviación de la tensión, lacorriente o la frecuencia que provoque incorrecta operación de losequipos de uso final y deteriore el bienestar del usuario.

• Voltaje.

• Amperaje.

• Frecuencia.

• Forma de onda.


Calidad de Energía.

En México se cuenta con la “ Ley del servicio público de energía eléctrica ysu reglamento 1993 ” que define las condiciones de suministro de laenergía eléctrica, estableciendo en el capítulo V artículo 18 del suministro yventa de energía eléctrica que “ El suministrador de energía eléctricadeberá ofrecer y mantener el servicio en forma de corriente alterna en una,dos o tres fases, a las tensiones alta, media y baja disponibles en la zona deque se trate observando que:

• La frecuencia sea de 60 Hz, con una tolerancia de 0.8 % en mas omenos.

• Que las tolerancias en el voltaje de alta, media o baja tensión, noexcedan de 10% en mas o en menos y tiendan a reducirseprogresivamente.”


Impacto de la calidadde energía.

• Perdidas de producción.

• Desperdicios de materia prima.

• Costo de mantenimiento.

• Daños a equipos.

• Incremento en el consumo de energía.


Importancia de lacalidad de energía.

• ¿Cuánto cuesta el paro de una máquina por mala alimentación?.

• ¿Cuanto cuesta reprogramar PLC?.

• ¿Cuanto cuesta una tarjeta de un drive?.

• Equipo de producción vs Equipo de protección.


Elementos que afectan lacalidad de la energía.

• Externos

– Ambientales:

• Tormentas y rayos.

– Fallas de suministro:

• Switcheos.

• Sags (abatimiento de voltaje).

• Swell (elevación de voltaje).

• Internos

– Uso de Electrónica:

• De potencia.

• De control.

– Fallas de Mantenimiento:

• Sistema de tierra.


Puntos de calidad deenergía.

1. Regulación de voltaje.

2. Transitorios de voltaje.

3. Armónicos.

4. Ruido de alta frecuencia.

5. Sistema de tierra física.


1ro. Punto: Regulaciónde voltaje.

Identificación…

Se presenta cuando el voltaje supera de formaconstante los márgenes más o menos 10 %del voltaje nominal de operación de losequipos.



Causas…

– Variaciones en la Red Eléctrica durante los horarios base, intermedia y punta.



Efectos…

– Daño a equipo sensible al voltaje como son tarjetas, CP, PLC, entre otros.

– Disparo de alarmas por voltaje.



Soluciones…

– Ajuste del TAP de transformadores (5 posiciones mas o menos 2.5%).

– Reguladores de voltaje en sitio.

– Reguladores de voltaje en circuitos.

– UPS:

• Honda rectangular y sinusoidal.

• Simple conversión.

• Doble conversión.


2do. Punto: Transitorios devoltaje.

Identificación…

– Un sobre voltaje “Pico” o disturbio en la forma de onda de voltaje.

– Menos de 100 microsegundos de duración.

– Puede alcanzar valores de miles de volts.

– Puede resultar en instantes de flujo de corriente de miles de amperes.

– Es altamente destructivo.


2do. Punto: Transitoriosde voltaje.

0° 90° 180° 270° 360°

~100 µSec

Un Ciclo (16667 µSec)



Causas…

– Descargas atmosféricas.

– Swich´s de carga en la red externa.

– Swich´s de cargas internos.

– Swich´s de SCR.



• 80% Causas internas (baja intensidad).– Corrientes de magnetización de transformadores.

– Swich´s de carga de motores.

– Drives de frecuencia variable.

– Transferencias automáticos de swich de operación.

– Swicheo de cargas.

• 20 % Causas externas (alta intensidad).– Rayos y vientos.

– Swich´s de cargas en la red externa.

– Corrección del Factor de Potencia.

– Accidentes.



• Como entran en el sistema de distribución.

– Descargas atmosféricas entre nubes cerca de un grupo de conductores.

– Descarga atmosférica directa a los conductores.

– Descarga atmosférica directa a la tierra.



• Como se presentan en un sistema de distribución.

– De línea a neutro en las fases A, B y C.

– De línea a tierra en las fases A, B y C.

– De neutro a tierra.



Efectos…• Daños instantáneos a equipos, grandes picos

pueden romper las uniones de lossemiconductores o arqueo entre componentes.

• Daños latentes a equipos, la acumulación depicos degrada las uniones de lossemiconductores ocasionando fallas.

• Causa disruptions y lockups en computadoras ymicroprocesadores, alteran los niveles lógicoscausando operación erróneo e inhibición en losequipos.

• Costos de reparación y paros.



Soluciones…

• Instalación de equipos supresores de sobre voltajes transitorios (TVSS).

Carga

TVSS

VOLTAJE DE CORTE

VOLTAJE DE CORTE

Fuente



Soluciones…

• Se recomienda en tres niveles:– Subestación eléctrica tableros

principales, TVSS con capacidad de 300 kA de corto circuito.

– Tableros de distribución, TVSS con capacidades de 140 kA de corto circuito.

– Tableros de control o equipos finales, TVSS con capacidades de 10 kA de corto circuito.


3er. Punto: Armónicos.

Identificación…

• Las armónicas son formas de onda sinusoidalesmúltiplos de la frecuencia fundamental (60 Hz)sumadas a la forma de onda de voltaje y corriente.



En la gráfica podemos observar la 3ra. (180 Hz) y 5ta. (300 Hz) armónica y la resultante obtenida al sumarse a la fundamental.



Relación entre las armónicas trifásicas balanceadas.

• Las armónicas tienen tres componentes o secuencias.

b a

c

c

abab

c

Secuencia Positiva Secuencia Negativa Secuencia Cero



Relación entre las armónicas trifásicas balanceadas.

• Las armónicas tienen tres componentes o secuencias.

Positiva Negativa Cero

Fundamental 2 3

4 5 6

7 8 9

10 11 12

13 14 15



Causas…

• Existen dos tipos de cargas eléctricas en los sistemas, cargas lineales y cargas no lineales.

– Las cargas lineales son aquellas que demanda corriente enforma de onda sinusoidal o aquellas cargas que al aplicarlesun voltaje sinusoidal demandan una corriente sinusoidal.

– Las carga no lineales son aquellas que demandan corriente enforma de onda no sinusoidal o aquellas cargas que alaplicarles un voltaje sinusoidal demandan corriente de formano sinusoidal.



Cargas lineales:

Resistencias:

Planchas, focos

incandescentes.

Inductivas:

Motores, transformadores

Capacitivas:

Capacitores de potencia.



Cargas no lineales:

De arco:

Soldaduras, Hornos de arco,

lámparas fluorescentes,

halógenos y led.

Saturables:

Transformadores y reactores

Electrónicas:

Drives, variadores de

frecuencia, rectificadores,

CP, UPS, balastros.



• Espectro armónico.

• Distorsión Armónico Total (THD).



Efectos…

• Sobre calentamiento de conductores.

• Operación de dispositivos de protección.

• Corrientes por el neutro.

• Daño a motores.

• Daño a transformadores.

• Resonancia.

• Notching: Equipo electrónico en el Buzz.

• Múltiples cruces por cero.



El efecto piel…

• La resistencia de un conductor no es la misma en CDque en CA. En CA si se incrementa la frecuencia,también lo hace la resistencia.

• En CA el flujo de corriente es forzado hacia la parteexterior del conductor, disminuyendo el área de seccióntransversal efectiva del conductor y como resultado laresistencia se incrementa. Este fenómeno es conocidocomo efecto piel.



El efecto piel….

Flujo de Corriente

a 60 Hz

Flujo de Corriente

a 1 MHz



Operación de dispositivos de protección…

FUSIBLE INTERRUPTOR

Tenemos problemas de:

Daño a fusibles.

Interfieren con el disparo en los interruptores de

protección.



• Las corrientes a 60 Hz se cancelan en un sistematrifásico. Las corrientes de la 3ra. armónica y susmúltiplos se añaden al neutro en un sistema trifásicocuando se encuentran en fase.

Fase C 100 A

100 A a 60 Hz +70 A a 180 Hz.

Fase A 100 A

100 A a 60 Hz +70 A a 180 Hz.

Fase B 100 A

100 A a 60 Hz +70 A a 180 Hz.

Neutro 0 A

0 A a 60 Hz + 210 A a 180 Hz.



Efecto del THD sobre un motor de 200 HP

% desbalance de voltaje 0 2 3.5 5

% incremento de perdidas 0 8 25 50

Temperatura (ºC)

Clase A 60 65 75 90

Clase B 80 86 100 120

MOTORES

Daños en motores…

Reduce la eficiencia del motor debido a perdidas I2R.

Incremento el calentamiento de cables, bobinas y

efecto piel.

Excesivos esfuerzo en el aislante del devanado.



Reduce la eficiencia del transformador debido a las pérdidas por resistencia y por corrientes de Eddy.

TRANSFORMADORES



Daño en capacitores…

• Degradación en los bancos decapacitores.

• Se convierten en un camino excelentepara las corrientes armónicas.

• Los capacitores no generan corrientesarmónicas.

• No solo los capacitores para correccióndel FP se ven afectados, los utilizadosen computadoras, drives y otrosequipos electrónicos también.



Resonancia…• Todos los circuitos que contengan capacitancia

e inductancia tienen una frecuencia natural deresonancia.

• Esto implica voltajes y corrientes muy elevadosa esta frecuencia.

• Con la corrección del FP las armónicas puedenagravarse o amplificarse, esto si el capacitorentra en resonancia con las cargas queproducen armónicas.

Hr = (kVAtr *100 / kVArcap* %Ztr)



Múltiples cruces por cero…

• Una onda sinusoidal perfecta a 60 Hz debe pasar porcero una sola vez por cada ciclo.

• Cuando hay cruces por cero múltiples veces, afecta lossistema automáticos y controladores programables,que evalúan los cruces por cero para medir elaceleramiento.

• Los eventos de secuencias de tiempo pueden serafectados debido a la velocidad de los relojes.



Notching…

Un Notch (hendidura) se define como undisturbio en el voltaje de alimentación que duramenos de medio ciclo y que inicialmente tienenuna polaridad opuesta al voltaje normal, (es untransitorio).

Los Notch se ocasionan por corto circuitos entrefases debido a la conmutación de los SCR´s.



Solución…

• Tolerar:

– Sobredimensionar los neutros.

– Transformadores delta – estrella localmente en las cargas para eliminar armónicas en los neutros.

• Corregir:

– Filtros de armónicas (Activos y pasivos).



Filtros activos…

• Basados en electrónica depotencia compleja.

• Inyectan corrientes armónicasopuestas de las que se deseafiltrar, cancelándolas.

• No tienen frecuencia deresonancia con el sistema.

• Su alto costo limita su uso.



Filtros pasivos…

• Combinación de capacitores,inductancias y resistencia, talque a la frecuencia que sedesea filtrar, el conjunto tengamuy baja impedancia.

• Pueden tener efectos adversosal interactuar con la impedanciadel sistema de potencia.



Existen de dos tipos…

• Absorción (sintonizado): Se diseñan inductancia ycapacitancia, tales que la frecuencia del conjuntocoincida con la frecuencia de la armónica que se deseaabsorber.

• Rechazo (desintonizado): Al igual que el de absorciónpero se diseña a una frecuencia menor, generalmentea 3.5%.



Advertencia…

• No realizar la corrección del FP sin realizar medicionesy análisis previo.

• Los filtros de armónicos son trajes a la medida de cadasistema.

• Utilizar los componentes de mayor calidad en elmercado.

• Actualmente la carga sensible y generadora dearmónicas es mayor del 40 % y cada día habrá masarmónicas.


4to. Punto: Ruido dealta frecuencia.

Identificación…

• Espectro de 100 KHz a 100 MHz.

• Conducido no radiado.

• Superpuesta en la forma de onda de potencia.



Causas…

• Fuentes de alimentación.

• Balastros electrónicos.

• Rayos X.

• Drives de velocidad variable.

• Oscilaciones por transitorios.

• Impresoras Laser.

• Generadores de baja calidad.



Microprocesadores Evolución…

Year Model Transistors Speed Traces

1971 4004 2,300 0.1 MHz 10 micron

1974 8080 6,000 2 MHz 6 micron

1985 80386 275,000 16 MHz 1 micron

1998 Pentium II 7,500,000 400 MHz 0.25 micron

1999 Pentium III 9,500,000 500 MHz 0.25 micron

2015 Celeron -------------- 2.70 GHz 130 nanomts



Efectos…

• Altamente destructivo para circuitos digitales.

5V

0V

Logical 1

Logical 0

Logical 1

Logical 0

1.5V

0V

10 MHz

Clock

500 MHz

Clock



Equipos sensibles…

• Computadoras.

• PLC.

• Robots.

• Microprocesadores.

• Networks.

• Sistemas de seguridad y contra incendios.



Soluciones…

• Instalación de atenuadores de ruido HF.

SPD

SPD

SPD


5to. Punto: Sistema detierra.

• Es un sistema de conexión deseguridad que se diseña para laprotección de personal y equiposeléctricos.

• Esta compuesto de uno o maselectrodos enterrados en el sueloy conectado a una malla decable de cobre desnudo la cualse interconecta con distintosequipos eléctricos.

• Es la base de toda protección decálida de energía


5to. Punto: Sistema detierra.

Funciones…

• Seguridad del personal.

– Protección contra rayos.

– Protección contra corto circuito.

• Disipa corrientes del neutro.

– Armónicas.

– Ruidos de alta frecuencia.

• Disipa transitorios.


Diagnostico de calidad deenergía.

Herramientas…

• Analizador de redes eléctricas.

– Trifásicos.

– V, I, Hz, kW, kVAR, KVA, Arm (2-50), THD (v, i), Forma de Onda, Memoria de datos, Eventos transitorios.

– Descarga datos a CP.

Nota importante:

Use solo con EPI

(Equipo de protección industrial).


Diagnostico de calidad de

energía.

Herramientas…

• Software análisis de flujos de carga.

– Easy Power, ETAP, entre otros.

– Predicciones y análisis de variables eléctricas.


Diagnostico de calidad deenergía.


¡Muchas Gracias!

Ing. Jorge Alejandro Herná[email protected]

Tel. 999-927 75 17

mailto:[email protected]

calidad de energÍa · existen de dos tipos… • absorción (sintonizado): se diseñan...

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