optimización de las instalaciones eléctricas para el
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería
1-1-2005
Optimización de las instalaciones eléctricas para el mejoramiento Optimización de las instalaciones eléctricas para el mejoramiento
de calidad de potencia en la industria proteínas y energéticos de de calidad de potencia en la industria proteínas y energéticos de
Colombia Proteicol S.A Colombia Proteicol S.A
William Alfonso Cárdenas Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Alfonso Cárdenas, W. (2005). Optimización de las instalaciones eléctricas para el mejoramiento de calidad de potencia en la industria proteínas y energéticos de Colombia Proteicol S.A. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/500
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UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA
WILLIAM ALFONSO CARDENAS RUBIANO
OPTIMIZACION DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS PARA EL MEJORAMIENTO DE CALIDAD DE POTENCIA EN LA INDUSTRIA
PROTEINAS Y ENERGETICOS DE COLOMBIA ¨PROTEICOL S.A.¨
WILLIAM ALFONSO CÁRDENAS
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTA D.C.
2005
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WILLIAM ALFONSO CARDENAS RUBIANO
OPTIMIZACION DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS PARA EL MEJORAMIENTO DE CALIDAD DE POTENCIA EN LA INDUSTRIA
PROTEINAS Y ENERGETICOS DE COLOMBIA ¨PROTEICOL S.A.¨
WILLIAM ALFONSO CÁRDENAS
Monografía para optar el título de
Ingeniero Electricista
Director
Ing. LUÍS H. CORREA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTA D.C.
2005
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CONTENIDO
Pag
INTRODUCCION
1. GENERALIDADES. 1
1.1. DEFINICION DE CALIDAD. 3
1.2. HISTORIA. 3
1.3. ¿POR QUE EL CONCEPTO ESTA PONIENDOSE
MAS Y MAS FUERTE DIA A DIA? 3
1.4. ¿COMO SE DESCUBRE LA PRESENCIA DE UN
PROBLEMA DE CALIDAD DE POTENCIA? 4
1.5. ARMÓNICOS. 5
1.5.1 DISTORSIÓN ARMÓNICA. 6
1.5.2. ARMÓNICOS EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS. 7
1.5.3. CONSECUENCIA DE LOS ARMÓNICOS. 7
1.5.4. EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS. 8
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1.5.5. FILTROS DE ARMÓNICOS. 10
1.6. TRANSITORIOS. 14
1.6.1. TRANSITORIOS DE IMPULSO. 15
1.6.2. TRANSITORIOS OSCILATORIOS. 16
1.6.3. SAG. 18
1.6.3.1. CAUSAS DE SAG DE VOLTAJE. 19
1.6.3.2. SENSIBILIDAD DE LAS CARGAS A SAGS DE VOLTAJE. 19
1.6.4. SWELL. 20
1.7. NORMALIZACION. 21
1.7.1. IEEE 519. 22
1.7.1.1. LINEAMIENTOS PARA CLIENTES INDIVIDUALES. 23
1.7.1.2. LOS LINEAMIENTOS PARA LAS COMPAÑIAS DE
ELECTRICIDAD. 25
1.7.2. IEEE 1159: RECOMENDACIONES PRÁCTICAS PARA
EL MONITOREO DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA ELÉCTRICA. 27
2. PROTEINAS Y ENERGETICOS DE COLOMBIA
PROTEICOL S.A. 31
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2.1. HISTORIA. 31
2.2. CAPACIDAD. 31
2.3. SUMARIO DE ACTIVIDADES. 31
2.4. MISION. 32
2.5. VISIÓN. 32
2.6. PLANTA PROTEICOL. 33
2.6.2. DESCRIPCIÓN DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN. 33
2.7. LEVANTAMIENTO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS. 35
2.7.1. DESCRIPCION GENERAL DE EQUIPOS E INSTALACIONES. 35
2.7.2. CARACTERIZACIÓN DE LA EMPRESA. 40
2.8. DIAGRAMA UNIFILAR. 40
3. MEDICIONES REALIZADAS Y DATOS OBTENIDOS. 42
3.1. CRITERIOS TENIDOS EN CUENTA. 44
3.2. NECESIDADES PLANTEADAS POR LAS
DIRECTIVAS DE PROTEICOL S.A. 44
3.3. PROBLEMAS IDENTIFICADOS. 44
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3.4. PRESENTACION ESTADISTICA DE DATOS. 45
3.4.1. ARMÓNICOS. 46
3.4.2. MEDICIÓN DE TRANSITORIOS (SAGS Y SWELL). 48
3.4.3. DISTORSIÓN ARMÓNICA TDD. 49
3.5. INTERPRETACION DE LA INFORMACION. 50
3.6. DIAGNÓSTICO AL QUE SE LLEGA. 51
3.7. ACCIONES A SEGUIR. 52
3.8. EQUIPOS DE MEDICION UTILIZADOS. 52
3.8.1. ANALIZADOR DE REDES TRIFÁSICO AEMC 3945. 52
4. SUBPROYECTOS PLANTEADOS EN CALIDAD DE POTENCIA. 53
4.1.1. IDENTIFICACION DE CELDAS, PROTECCIONES Y
CIRCUITOS. 53
4.1.2. CAMBIO DE LOS SISTEMAS DE BANDEJAS PORTA CABLES. 55
4.1.3. REPLANTEAMIENTO DE CAPACIDAD DE PROTECCIONES. 55
4.1.4. POLUCION EN LA SUBESTACION. 56
4.1.5. EQUIPOS DE MEDIDA Y SEÑALIZACION. 56
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4.1.6. PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS. 57
4.1.7. ILUMINACION PLANTA. 57
4.2. PROYECTOS. 58
4.2.3. PROYECTO DE MEJORA DEL SISTEMA DE
PUESTA A TIERRA. 57
4.2.4. PROYECTO DE OPTIMIZACIÓN DE ILUMINACION
DE LA PLANTA. 61
4.3. EVALUACIÓN FINANCIERA. 64
4.3.1 ANÁLISIS ECONOMICO DEL PROYECTO. 67
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 72
ANEXOS 75
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LISTA DE TABLAS
Pag
Tabla 1. Principales fenómenos causados por disturbios electromagnéticos 17
y clasificados por la IEC.
Tabla 2. IEEE 519, Límites en la Distorsión de la Corriente.
Límites de Corriente Armónica para Carga no lineal en el Punto
Común de acoplamiento con Otras Cargas, para voltajes entre
120 - 69,000 voltios Máxima Distorsión Armónica Impar de la
Corriente, en % del Armónico fundamental. 24
Tabla 3. Límites de distorsión de Voltaje según IEEE 519. 26
Tabla 4. IEEE 1159 Categorías y características de los fenómenos electromagnéticos en sistemas de potencia. 28
Tabla 5. Rangos típicos de entrada y parámetros de la carga para la calidad de
potencia eléctrica (ANSI / IEEE STD 446187 P.73.). 29
Tabla 6. Limites de distorsión de Tensión según la guía 519-1992 30
Tabla 7. Limites de distorsión de corriente para sistemas de distribución 30
Tabla 8. Descripción de equipos de PROTEICOL S.A. 36
Tabla 9. Descripción principales motores de PROTEICOL S.A. 37
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Tabla 10. Detalles transformadores de PROTEICOL S.A. 39
Tabla 11. Mediciones realizadas en las instalaciones de de PROTEICOL S.A. 43
Tabla 12. Valores promedio, máximo y mínimo de los parámetros eléctricos
monitoreados por el analizador de redes en el transformador,
en el banco de condensadores y en una de las cargas de
PROTEICOL S.A. 47
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LISTA DE FIGURAS
Pag
Figura 1. Fundamental mas tercer armónico. 6
Figura 2. Filtros pasivos Shunt. 12
Figura 3. Corrientes Producidas por una descarga Atmosférica. 16
Figura 4. Transitorio Oscilatorio causado por la energización de un Banco de
Capacitores. 18
Figura 5. Represión de Voltaje. Forma de onda de un sag. 20
Figura 6. Dilatación de Voltaje (swell). 21
Figura 7. Diagrama Proceso Producción de PROTEICOL S.A. 28
Figura 8. Analizador de redes trifásico AEMC 3945 49
Figura 9. Tableros de distribución. 50
Figura 10. Tableros de distribución. 51
Figura 11. Tableros de distribución. 51
Figura 12. Bandejas porta cables de las instalaciones de PROTEICOL.S.A. 52
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Figura 13. Subestación de PROTEICOL S.A. 53
Figura 14. Equipos de medida y señalización usados en el diagnóstico. 54
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LISTA DE ANEXOS
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Anexo A. Diagrama unifilar PROTEICOL S.A. 76
Anexo B. Registro de los parámetros eléctricos monitoreados con el
analizador de redes en el transformador de potencia, banco de condensadores y motor de 50 hp 77
Anexo C. Información CODENSA S.A. E.S.P. 111
Anexo D. Graficas de los parámetros eléctricos monitoreados con el analizador de redes el transformador de tensión, banco de condensadores
y motor de 50 hp 113
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INTRODUCCION
Tanto las empresas suministradoras de energía eléctrica como los usuarios finales del servicio, han estado insistiendo cada vez más en el concepto calidad de potencia.
Esto se inicio en la década de los 80´s y se ha convertido en una especie de
concepto general, alrededor del cual se puede ubicar una multitud de distintos tipos de disturbios y problemas que se pueden presentar en un sistema eléctrico.
Las principales razones por las que es necesario estudiar los conceptos relacionados
con la calidad en el suministro de la energía eléctrica, son las siguientes:
Las cargas cada día son mas sensibles a las variaciones de ciertos parámetros o
cantidades en los sistemas del suministro de energía eléctrica, en la actualidad se encuentran cargas tanto industriales como residenciales y comerciales, que hacen un
uso intensivo de controles basados en microprocesadores. También existe cada vez mayor presencia de la llamada electrónica de potencia, usada en distintas
aplicaciones, como es el caso de los controladores para motores eléctricos, que han sustituido en muchos casos a los controles electromagnéticos y que son mas
sensibles a muchos tipos de disturbios.
En este proyecto de grado se plantean soluciones y recomendaciones que ayuden a
mejorar la calidad de la potencia en la empresa PROTEINAS Y ENERGETICOS DE COLOMBIA PROTEICOL S.A.
Durante este estudio se realizó el levantamiento de las instalaciones eléctricas, y se
hicieron mediciones con las cuales se determinó el estado de la calidad de la potencia
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en la empresa. Con esta información se realizó una identificación y diagnóstico de los diferentes problemas y necesidades.
Para la identificación de estos problemas se tuvieron en cuenta parámetros propios
del concepto de calidad de potencia eléctrica como son armónicos, transitorios electromagnéticos y otros como tensión, corriente etc., empleando las
recomendaciones de las normas IEEE 519 y 1159.
Dentro del estudio se plantearon los objetivos generales y específicos que se
mencionan a continuación: Realizar un estudio de Calidad de Potencia en la Industria PROTEICOL S.A.
iniciando con un diagnóstico del estado actual de la industria, pasando por el
planteamiento que identifique los problemas y su solución respectiva.
Además:
Hacer un diagnóstico del estado actual de la empresa en la parte eléctrica.
Evaluar las condiciones de la energía eléctrica que alimenta las
instalaciones y los equipos.
Efectuar mediciones de parámetros eléctricos relacionados con la calidad
de potencia.
Realizar un análisis de los parámetros eléctricos en los circuitos de la
empresa.
Plantear soluciones a largo, mediano, y corto plazo planteadas en
proyectos y sub proyectos.
Establecer las recomendaciones para la mejora de la calidad y
confiabilidad, sugiriendo:
- modificaciones del sistema de suministro
- Modificaciones de las instalaciones del usuario
- Consideraciones sobre el diseño de equipos sensibles y correctores.
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Para la realización de este proyecto de grado se utilizó la siguiente metodología:
En una primera fase se hizo el reconocimiento de las instalaciones y se llevó a
cabo el levantamiento eléctrico de la planta, posteriormente se procedió a
clasificar la información para formular un diagnóstico preliminar de las condiciones
en las que se encontraba la empresa. En una segunda fase se identificaron los
puntos en los cuales se podrían encontrar problemas relacionados con los
parámetros de estudio y así programar un cronograma de mediciones. A
continuación se realizó un procesamiento y análisis de la información para llegar a
un diagnosticó general de problemas y necesidades encaminados a identificar
subproyectos para mejorar la calidad de potencia de la planta.
Como parte final se elaboró el documento de la monografía.
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1. GENERALIDADES
En el ultimo siglo la electricidad ha sido uno de los mayores avances científicos y
tecnológicos de la vida moderna, ocupando un importante lugar en lo cotidiano de
todos los estratos sociales; en este contexto es indiscutible que gracias a ella se
han generado enormes cambios, que han contribuido al desarrollo de la
humanidad y resultaría difícil imaginar un desarrollo mundial sin la electricidad.
La electricidad se ha convertido en un instrumento indispensable en el hogar, en
la industria y en todo lo cotidiano del ser humano y sus aplicaciones son múltiples
va desde la iluminación, hasta el uso de electrodomésticos, en maquinas
industriales de manufactura, manejo de acueductos, hasta extracción de
petróleos, de igual manera ha hecho que las comunicaciones sean mas rápidas e
instantáneas que han facilitado aun mas el proceso de globalización.
En la aldea global en que se ha convertido el mundo moderno de hoy, se ha
presentado una desregulación de los mercados de energía eléctrica; esto implica,
menos normas porque hay más competencia y se pretende un mínima
intervención del estado para que esto conlleve a una libre competencia. Regular,
en el sentido económico, es encauzar actividades que desarrollen agentes por su
propia iniciativa con propósitos de lucro. Es un instrumentos de intervención
estatal alternativo a la propiedad pública de las entidades prestadoras. En
Colombia la constitución de 1991 ha permitido la prestación del servicio de
energía, en condiciones de igualdad con los particulares, en forma que todos los
prestadores están sometidos a la regulación, a la vigilancia y a las políticas de
administración.
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La prestación del servicio implica que las condiciones en que se da, exigen una
mayor asistencia del mismo para poder mantener el alto grado de competencia
que se viene en el mercado de la energía eléctrica. La incorporación de un
ambiente de competencia y de figuras como la de los usuarios no regulados,
significan que las circunstancias en que se esta dando la relación proveedor-
usuario son mucho mas exigentes para las empresas prestadoras del servicio,
obligándolas a incentivar, en su ámbito institucional, una nueva cultura del
servicio.
Se ha incrementado la importancia del suministro de energía eléctrica porque se
ha convertido en parte indispensable del mundo moderno y en los procesos
industriales, dependientes de equipos basados en microelectrónica, que son mas
susceptibles a diversos tipos de perturbación.
El nuevo concepto de Calidad de Potencia Eléctrica, que ha evolucionado en la
última década a escala mundial, está relacionado con las perturbaciones
electromagnéticas que pueden afectar las condiciones eléctricas de suministro
(tensión y corriente) y ocasionar el mal funcionamiento o daño de procesos o
equipos eléctricos o electrónicos.
Por otro lado, la competencia por los mercados de la energía eléctrica está
haciendo cambiar las expectativas de los usuarios finales respecto a su
proveedor. Además de la comodidad en precios más bajos, los usuarios
comienzan a demandar un rango de servicios a la medida de sus necesidades
particulares, incluyendo mejoras en la calidad de la potencia eléctrica. De hecho,
la Calidad de la Potencia Eléctrica puede ser una de las pocas formas en que el
proveedor de energía eléctrica puede diferenciar un kilovatio - hora de otro, y el
usuario exigente considere el cambio a un proveedor que le garantice menos
cortes de servicio y señales de potencia menos contaminadas.
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1.1 DEFINICION DE CALIDAD
La deficiencia en Calidad de Potencia es todo aquel apartamiento de tensión,
frecuencia o forma de onda que conduce al daño, falla o mal funcionamiento del
equipo de uso final.
1.2 HISTORIA
Muchas de las irregularidades presentes en la actualidad en nuestros sistemas
eléctricos, perturbaciones tales como debidas a tormentas eléctricas intensas,
cortocircuitos, cargas excesivas súbitas, etc., existen desde los inicios de la
utilización masiva de la energía eléctrica. La razón por la que ahora la calidad es
crítica en la difusión de equipos contaminantes, es el aumento de la sensibilidad
de aparatos de uso final y las mayores exigencias por parte del usuario1.
El real problema de contaminación armónica aparece a fines de los 70” y
principios de los 80” con la amplia difusión de la electrónica de potencia. En la
actualidad, se está produciendo una verdadera carrera entre la polución creada
por la electrónica de potencia por una parte y en el otro, el diseño de nuevos
dispositivos correctivos o de mitigación, basados en electrónica de potencia.
1.3 ¿POR QUE EL CONCEPTO ESTA PONIENDOSE MAS Y MAS FUERTE DIA
A DIA?
El equipo sensible se va a volver más sensible por razones de
competición de mercado.
1 Calidad de Suministro Eléctrico. Curso Tutorial II Congreso Internacional de la Región Andina.
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Los equipos contaminantes continuarán contaminando mas debido al
aumento del costo de construcción del equipo de compensación y
también por la falta de fuerza de las reglamentaciones.
Los equipos sensibles y contaminantes se usarán mas, extendiendo su
aplicación no solamente a la industria y comercio sino prácticamente a
todas partes.
El rendimiento (ahorro de energía, uso de variadores de velocidad y
equipos de corrección del factor de potencia, los que aumentan la
inyección de armónicos en el sistema de potencia) y el costo se
consideran hoy casi con el mismo nivel en la toma de decisiones.
La desregulación y privatización exacerbará la situación debido a la
feroz competencia entre empresas eléctricas.
Las reglamentaciones o normas, los dispositivos de medición y las
técnicas de análisis se están volviendo cada día mucho más poderosas.
Elevado costo involucrado en cualquier problema de calidad de potencia,
debido a las pérdidas económicas causadas a las cargas industriales y
comerciales.
1.4 ¿COMO SE DESCUBRE LA PRESENCIA DE UN PROBLEMA DE CALIDAD DE POTENCIA?
Parpadeo de lámparas.
Frecuentes interrupciones.
Los equipos sensibles experimentan frecuentes salidas de servicio.
Los equipos sensibles pierden programas y ajustes con mucha
frecuencia.
Tensión contra tierra en lugares inesperados.
Interferencia de las comunicaciones.
Conductores sobrecalentados.
Transformadores con temperatura de trabajo excesiva.
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Motores ruidosos.
Excesivo daño a equipos o reducida vida útil.
1.5 ARMONICOS
Los armónicos son voltajes o corrientes senoidales cuyas frecuencias son
múltiplos enteros de la frecuencia a la cual se ha previsto que opere el sistema de
suministro (determinada como la frecuencia fundamental; usualmente es 50 o 60
Hz)2. Las formas de onda distorsionadas pueden descomponerse debido a la
suma de la frecuencia fundamental y los armónicos. La distorsión armónica es
originada por los equipos y cargas de características no lineales en el sistema de
potencia.
Los niveles de distorsión armónica son descritos por el espectro armónico
completo con magnitudes y ángulos de fase para cada componente armónica
individual. Esto es algo común en el uso de cantidades simples. La Distorsión
Armónica Total (THD), es una medida del valor efectivo de distorsión armónica.
Por otro lado la norma IEEE 519-1992 define, la Distorsión Total de Demanda
(TDD). Este término es lo mismo que la distorsión armónica total excepto porque
la distorsión es expresada como un tanto por ciento la corriente de carga máxima,
o mejor como un porcentaje de la magnitud de la corriente fundamental. La
norma IEEE 519-1992 proporciona normas para los niveles de distorsión
armónica de corriente y voltaje en circuitos de distribución y transmisión.
2 DUGAN, Roger C. Electrical Power System Quality. Mc Graw Hill, 1996. p. 24.
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Figura 1. Fundamental mas tercera armónica
1.5.1 Distorsión Armónica. La distorsión armónica describe la variación en
estado estacionario o continuo en la forma de onda de la frecuencia fundamental.
Para esta condición de estado estacionario las frecuencias son múltiplos enteros
de la frecuencia fundamental.
A continuación se muestran las ecuaciones de THD para tensión y corriente.
Para tensión: %100............
1
23
22 X
VVV
THDV
++=
Para corriente: %100............
1
23
22 X
III
THDI
++=
Para armónicas individuales: %1001
XVV
IHD nn =
Distorsión total de demanda: %100............
max
23
22 X
III
TDDdem−
++=
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1.5.2 Armónicos en los sistemas eléctricos. El comportamiento de los
sistemas de potencia es determinado por todo el conjunto de los sistemas
eléctricos desde el generador hasta el dispositivo eléctrico final. Este sistema
puede ser dividido en dos componentes, el sistema eléctrico al interior de la
industria y el sistema de potencia de la empresa suministradora de energía. Cada
uno de ellos juega un papel importante en la correcta operación de los equipos
electrónicos que hacen parte de los procesos al interior de la industria. Los
problemas de potencia que se generan en cualquiera de los dos sistemas pueden
impactar drásticamente la productividad en una industria determinada.
1.5.3 Consecuencia de los Armónicos. El crecimiento sostenido de
consumos que incluyen conversores estáticos y otros del tipo no-sinusoidal, unido
al aumento de la utilización de bancos de condensadores de compensación del
factor de potencia, aumenta las fuentes de distorsión o sus consecuencias
negativas, tanto para el usuario como para la empresa responsable del suministro
eléctrico.
Entre los problemas mas frecuentes se pueden mencionar los siguientes:
Destrucción de condensadores por sobretensión.
Incendio de reactores por sobrecorriente.
Falla de interruptores por aumento súbito de la corriente.
Destrucción de cables por sobretensión.
Operación incorrecta de relés de protección.
Calentamiento de motores de inducción.
Oscilaciones mecánicas en motores y generadores.
Errores de medición de energía activa y reactiva.
Interferencias con sistemas de comunicación.
Aumento de pérdidas en conductores y máquinas eléctricas.
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1.5.4 Efectos de los Armónicos
Condensadores:
El uso de capacitores en shunt para mejorar el factor de potencia y voltaje
tienen una influencia significativa sobre los niveles armónicos. Los
capacitores no generan armónicos, pero proporcionan formas de red para
posibles condiciones de resonancia. Si la adición de capacitores sintoniza
el sistema a una resonancia cercana a la frecuencia armónica presente en
la corriente de carga o el voltaje del sistema, grandes corrientes o voltajes
a esa frecuencia se producirán.
Interruptores y fusibles:
Existe alguna evidencia que la distorsión armónica de la corriente pueda
afectar la capacidad de interrupción de los interruptores de circuito. La
corriente de carga puede ser distorsionada y las fallas de bajo nivel pueden
contener altos porcentajes de corrientes de carga distorsionada.
Con respecto a los fusibles, debido a que ellos actúan térmicamente, ellos
son evidentemente dispositivos de sobrecorrientes eficaces. La unión de
algunos de estos fusibles consiste de muchas cintas que son susceptibles
al calentamiento por el efecto piel debido a corrientes armónicas.
Conductores:
Existen dos mecanismos en las cuales las corrientes armónicas pueden
causar calentamiento en conductores, el cual es mayor que el originado por
una corriente de valor eficaz. El primer mecanismo es debido a la
redistribución de corriente dentro del conductor e incluye el efecto piel y el
efecto proximidad. El efecto piel es debido al apantallamiento de la porción
más interna del conductor por la capa mas externa, la resistencia efectiva
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del conductor aumenta. Este efecto se incrementa con la frecuencia y el
diámetro del conductor.
El efecto proximidad es debido al campo magnético de los conductores que
afectan la distribución de corriente en los conductores adyacentes. En
cables trenzados, el efecto es menos pronunciado que el efecto piel. La
envoltura metálica y conduit también contribuyen al efecto proximidad.
La otra forma de calentamiento de conductores debido a corrientes
armónicas causa altas corrientes anormales en el conductor de neutro de
un sistema de distribución trifásico de cuatro hilos alimentando cargas
monofásicas como fuentes de potencia conmutadas, producen corrientes
de tercer armónico significantes.
Iluminación:
Las lámparas incandescentes tienen una pèrdida de vida útil cuando
operan con voltaje distorsionado debido a que son muy sensibles al nivel
de tensión de operación. Si el voltaje de operación està por encima del
voltaje nominal debido a al distorsión armónica, la elevada temperatura del
filamento reducirá la vida útil de la bombilla.
Màquinas Rotativas:
La aplicación de voltajes no sinusoidales a màquinas eléctricas puede
causar sobrecalentamiento, torques pulsatorios o ruido. Además los
motores con velocidad variable están alimentados de inversores que
pueden producir distorsión significativa en voltaje. El sobrecalentamiento
del rotor ha sido el principal problema asociado a la distorsión del voltaje,
las pèrdidas en las màquinas depende del espectro de frecuencia y del
voltaje aplicado. Pèrdidas en el núcleo y por dispersión llegan a ser
significantes en un motor de inducción con rotor devanado. Un incremento
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en la temperatura de operación del motor causa una reducción de su vida
útil, los motores monofasicos son los mas propensos a estos daños.
Transformadores:
El efecto primario de los armónicos sobre los transformadores es el calor
adicional generado por las pèrdidas debidas al contenido armónico de la
corriente. Otros problemas incluyen posible resonancia entre la
inductancia del transformador y la capacitancia del sistema, fatiga
mecànica del aislamiento debido a la variación periódica de la temperatura
y posibles vibraciones pequeñas del núcleo
1.5.5 Filtros de Armónicos. El uso de filtros de armónicos en sistemas de
potencia tiene dos objetivos: el principal es prevenir la entrada de
corrientes y voltajes armónicos desde agentes contaminantes al resto del
sistema; y proveer al sistema toda o parte de la potencia reactiva que este
necesita.
Los filtros de armónicos pueden ser, según el propósito particular que se
persigue, de dos tipos:
Filtros Series
Filtros Shunt
Los Filtros Series impiden el paso de una frecuencia particular (Armónica), desde
el contaminante hacia alguna componente de la planta o parte del sistema de
potencia, mediante la presencia de una gran impedancia serie a la frecuencia
especificada. Estos constan de un inductor y un capacitor en paralelo que se
posicionan en serie a la parte de la red que se desea proteger.
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Los Filtros Shunt por su parte proveen un paso alternativo de muy baja
impedancia para las corrientes armónicas, y consisten en una rama resonante
serie compuesta por elementos RLC en conexión paralela con el sistema de
alimentación.
A continuación se presentan ciertas desventajas del filtro serie respecto del filtro
shunt.
El filtro serie debe ser capaz de soportar toda la corriente que proviene del
sistema de alimentación y debe ser aislado en todas sus partes por la
diferencia entre el voltaje total y la tierra. El filtro shunt puede ser
aterrizado y lleva solo la corriente armónica a la que fue sintonizado mas la
corriente fundamental, que es mucho menor que la que circula por el
circuito principal. Por esta razón, el filtro shunt es mucho mas barato que
uno serie de igual efectividad.
Los filtros serie, aunque pueden evitar la entrada de armónicos a cierta
parte de la red, no pueden impedir el paso de armónicos a la fuente de
alimentación, porque la producción de armónicos por componentes
contaminantes de la planta (como convertidores estáticos), son inherentes
al funcionamiento de estos equipos.
Finalmente, los filtros shunt tienen otra ventaja frente a los filtros serie; y
es que para frecuencia fundamental, los primeros proporcionan potencia
reactiva al sistema, mientras los segundos la consumen.
Estas condiciones hacen del filtro tipo shunt, el único utilizado en los sistemas
industriales en el lado AC de los convertidores estáticos. La configuración de
estos filtros se muestra en la figura 2.
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Figura 2. Filtros pasivos shunt
Filtros Shunt Pasivos. Las configuraciones de filtros mas utilizados
corresponden a filtros sintonizados simples y los pasa altos. Existe una gran
variedad de configuraciones de filtros, pero persiguen las mismas características
de la respuesta de la impedancia versus frecuencia, que los dos tipos de filtros ya
mencionados; por lo que se analizarán en detalle solo estos.
Filtro sintonizado simple. El filtro sintonizado simple es utilizado para eliminar
una armónica determinada; este es uno de los mas simples y consiste en un
banco de condensadores conectado en serie con un inductor.
Este filtro se sintoniza a la frecuencia de la armónica que se desea eliminar, lo
que significa que para esta frecuencia, las reactancias de la inductancia y del
condensador se hacen iguales y por lo tanto se anulan, entonces la impedancia
que presentará el filtro para esta frecuencia es mínima (valor igual a la
resistencia), y absorberá la mayor parte de la corriente armónica contaminante.
El factor de calidad del filtro, es el que determina la filosidad de la característica
de impedancia, y hace que esta sea mas o menos estrecha o abrupta.
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Ventajas
Proporciona una máxima atenuación para una armónica individual.
A frecuencia fundamental puede proporcionar la potencia reactiva
requerida en la red.
Tiene bajas pérdidas, las cuales están asociadas a la resistencia del
inductor y la resistencia del filtro.
Desventajas
Vulnerable a perturbaciones debido a tolerancias de elementos con la
temperatura o variaciones de frecuencia fundamental
Interactúan con la red originando una resonancia paralela al igual que un
banco de condensadores.
Filtro pasa altos. El filtro pasa altos de uso mas frecuente, dentro de los filtros
de característica amortiguada, es el de segundo orden. Estos son utilizados para
eliminar un amplio rango de frecuencias, y se emplean cuando los armónicos no
tienen frecuencia fija, lo que sucede comúnmente en los cicloconversores.
Este filtro, al igual que el sintonizado simple, se sintoniza a alguna frecuencia
específica; pero debido a que posee una característica amortiguada producto de
la resistencia en paralelo con la inductancia, presenta una baja impedancia para
la frecuencia de sintonía y superiores a esta. En otras palabras, absorbe
corrientes armónicas de frecuencias desde la de sintonía en adelante. Para
frecuencias menores a la de sintonía, el filtro presenta impedancias altas. El factor
de calidad de este filtro es bajo, y al igual que el sintonizado simple.
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Ventajas
Atenúan un amplio espectro de armónicas de acuerdo a la elección del
valor de la resistencia, sin la necesidad de subdivisión en ramas paralelas.
Es muy robusto frente a perturbaciones, comparado con el filtro sintonizado
simple.
Desventajas
Origina una frecuencia de resonancia paralela al interactuar con la red.
Las pérdidas en la resistencia y en el inductor son generalmente altas.
Para alcanzar un nivel similar de filtrado (de una armónica específica), que el
sintonizado simple, el filtro pasa altos necesita ser diseñado para una mayor
potencia reactiva.
1.6 TRANSITORIOS
El término transitorio ha sido usado en el análisis de variaciones del sistema de
potencia para denotar un evento que es indeseable pero de condición
momentánea. La noción de un transitorio oscilatorio amortiguado la da una red
RLC, Esto piensan la mayor parte de los ingenieros en potencia cuando se
escucha la palabra transitorio.
Otra palabra de uso común que es a menudo considerada sinónimo de transitorio
es surge (aumento, elevación). En redes de distribución se puede pensar que un
surge es el transitorio resultante por la caída de un rayo, para lo cual se usa un
descargador de sobretensión como protección. Frecuentemente los usuarios
finales usan la palabra para describir las variaciones que observan en el
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suministro de potencia, sin distinguir si es por sags, por swells o por
interrupciones. A causa de esto son muchas las equivocaciones potenciales con
esta palabra en el campo de la calidad de potencia.
Los transitorios pueden clasificarse en dos categorías, de impulso y oscilatorios.
Estos términos reflejan las ondas perfiladas de un transitorio de corriente o
voltaje.
1.6.1 Transitorios de impulso. Un transitorio de impulso es un cambio
repentino, a una frecuencia que no es la fundamental en condiciones de estado
estable, de voltaje, corriente o ambos y que es unidireccional en polaridad (ante
todo cualquiera de los dos, positivo o negativo). Los transitorios de impulso son
normalmente caracterizados por sus tiempos de cresta y cola, que pueden
también ser revelados por estos contenidos espectrales. Por ejemplo, un
transitorio de impulso de 1.2 * 50 µs, 2000 V normalmente asciende desde cero
hasta un valor pico de 2000 V en 1.2 µs, luego decae hasta la mitad del valor pico
en 50 µs.
La causa mas común de los transitorios de impulso son las descargas
atmosféricas. La figura 3 ilustra la corriente típica de un transitorio de impulso
causado por una descarga atmosférica.
Los transitorios de impulso pueden excitar la frecuencia natural de los circuitos del
sistema de potencia y producir transitorios oscilatorios.
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Figura 3. Corriente producida por una descarga atmosférica.
1.6.2 Transitorios Oscilatorios. Un transitorio oscilatorio es un cambio repentino, a
una frecuencia que no es la fundamental en condiciones de estado estable, de voltaje, corriente ó ambos y que incluye valores de polaridad tanto positivos como
negativos. Un transitorio oscilatorio consiste de un voltaje o corriente cuyo valor instantáneo
cambia rápidamente de polaridad. Esto es descrito por los contenidos espectrales (frecuencia predominante), duración, y magnitud. Las clases de contenido espectral
definidas en la Tabla 1 son de alta, media y baja frecuencia. Los rangos de
frecuencia para estas clasificaciones fueron seleccionados para coincidir con tipos comunes de fenómenos por transitorios oscilatorios en el sistema de potencia.
Los transitorios oscilatorios con una componente de frecuencia primaria mayor que
500 KHz. y duración típica medida en microsegundos (o ciclos distintos de la frecuencia principal) son considerados transitorios oscilatorios de alta frecuencia.
Estos transitorios son, a menudo, el resultado de la reacción de una red local a un transitorio de impulso.
Un transitorio con una componente de frecuencia primaria entre 5 y 500 kHz con
duración medida en los diez microsegundos (o ciclos distintos de la frecuencia principal) es llamado un transitorio de frecuencia media.
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Tabla 1. Principales fenómenos causados por disturbios electromagnéticos y
Clasificados por la IEC.
Armónicos, interarmonicos
Sistemas de señal (conductores de líneas de potencia)
Fluctuaciones de líneas de voltaje
Fenómenos conducidos a
baja
Interrupciones y dips de voltaje
frecuencia Voltaje desequilibrado
Variaciones de frecuencia del sistema
Voltajes inducidos a baja frecuencia de redes d.c. en a.c.
Fenómenos radiados a baja Campos magnéticos
Frecuencia Campos eléctricos
Voltajes o corrientes por ondas continuas inducidas (CW)
Fenómenos conducidos a
alta
Transitorios unidireccionales
frecuencia Transitorios oscilatorios
Campos magnéticos
Campos eléctricos
Fenómenos radiados a alta Campos electromagnéticos
frecuencia Ondas continuas
Transitorios
Fenómenos de descarga electrostática
Pulso nuclear electromagnético
Fuente: DUGAN, Roger. Electrical power systems quality.
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Los transitorios de frecuencia media pueden originarse al estar un sistema
respondiendo a un transitorio de impulso.
Un transitorio con una componente de frecuencia primaria menor que 5 KHz., y
una duración de 3 a 5 ms, es considerado un transitorio de baja frecuencia.
Esta categoría de fenómeno es frecuentemente encontrada en los sistemas de
subtransmision y distribución de las empresas de servicios públicos y es causada
por muchos tipos de eventos. Lo más frecuente es la energización de un banco
de condensadores, de lo cual típicamente resulta un transitorio de voltaje
oscilatorio con una frecuencia primaria entre 300 y 900 Hz.
Figura 4. Transitorio oscilatorio causado por la energización de un banco de
capacitores
1.6.3 Sags (dips). Un sag es una disminución entre 0.1 y 0.9 p.u. del voltaje o corriente
r.m.s. a la frecuencia del sistema, con duración de 0.5 ciclos a 1 minuto.
En el campo de la Calidad de Potencia se ha usado el término sag por muchos años
para describir una disminución en el voltaje de corta duración. Aunque el término no ha
sido formalmente definido, este ha sido muy aceptado y usado por empresas de servicio
público, fabricantes y los usuarios finales. La definición de la IEC para este fenómeno es
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dip. Los dos términos son considerados intercambiables, siendo sag el sinónimo más
utilizado en nuestra comunidad.
El término sag es con frecuencia confuso, cuando es usado para describir la magnitud de
un voltaje. Un "sag 20%" puede referirse a un sag el cual resulta en un voltaje de 0.8
p.u., ó 0.2 p.u. Cuando no se especifica de otro modo, un sag 20% podría ser
considerado un evento durante el cual el voltaje r.m.s. disminuye 20%; es decir, a 0.8
p.u.
1.6.3.1 Causas de sag de voltaje. Los Sags son decrementos instantáneos (0.5-30
ciclos), momentáneos (30 ciclos-3 seg.) o temporales (3 seg.-1 min.)3 en la magnitud rms
del voltaje, usualmente causados por fallas remotas (rayos, animales, etc.) en algún
lugar sobre el sistema de potencia, pero también pueden ser causados por maniobra de
grandes cargas o arranque de grandes motores al interior de la industria.
Los sags de voltaje son uno de los más importantes problemas de calidad de potencia
que impacta a muchas de las industrias de nuestro medio.
Los equipos actualmente usados en las plantas industriales modernas (controladores de
procesos, PLC, variadores de velocidad, robòtica, inversores) se están haciendo más
sensibles a los sags de voltaje a medida que la complejidad de estos equipos aumenta.
Aún los relés y contactores que hacen parte de los arrancadores de motores pueden ser
sensibles a los sags de voltaje resultando en paros no programados de los procesos.
1.6.3.2 Sensibilidad de las cargas a sags de voltaje. Los sags de voltaje no son un
problema a menos que ellos causen una mala operación en los equipos. Esto depende
de la sensibilidad del equipo a los eventos de sags de voltaje (Ride trough
Characteristics). Las cargas importantes que pueden ser impactadas por sags incluyen:
Motores, elementos calentadores y otras cargas trifásicas que pueden estar
Conectadas directamente al barraje de bajo voltaje.
Variadores de velocidad y otros dispositivos electrónicos de potencia que usan
3 IEEE 1159. Recomendaciones Practicas para el monitoreo de la calidad de potencia eléctrica. Nueva York: IEEE 1995
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Potencia trifásica.
iluminación que a menudo utiliza conexión monofásica.
Dispositivos de control como computadoras, contactores. Los controladores
Lógicos programables, PLC, son a menudo alimentados a través de
Transformadores de control monofásicos.
Diferentes categorías de equipos y aun diferentes marcas de equipos dentro de la misma
categoría (ejemplo, dos modelos diferentes de variadores de velocidad) tienen
significativamente diferentes sensibilidades a los sags de voltaje. Esto hace difícil
desarrollar una única norma o estándar que defina la sensibilidad del equipo de un
proceso industrial.
Figura 5. Depresión de Voltaje, Forma de onda de un sag.
1.6.4 Swell. Un Swell es definido como un incremento entre 1.1 y 1.8 p.u. en el voltaje o
corriente r.m.s. a la frecuencia del sistema con duración de 0.5 ciclos a 1 minuto.
Como con los sags, los swells son usualmente asociados con condiciones de falla del
sistema, pero ellos no son tan comunes como los sags. Una forma en que puede ocurrir
un swell es la subida temporal del voltaje nominal en las fases durante una falla línea-
tierra. Los Swells pueden ser causados por desconectar una carga grande o por la
energización de un gran banco de condensadores.
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Los swell son caracterizados por su magnitud (valor rms) y duración. La magnitud de un
swell de voltaje durante una condición de falla es una función de la localización de la
falla, la impedancia del sistema y la tierra. Sobre un sistema sin tierra, con una
impedancia de secuencia cero infinita, el voltaje de la línea a tierra sobre las fases sin
aterrizar será de 1.73 por unidad durante una condición de falla línea-tierra.
Cerca de la subestación, sobre un sistema a tierra, habrá poco o ningún incremento
sobre las fases sin falla porque el transformador de la subestación es comúnmente
conectado en ∆-Y, proporcionando una baja impedancia de secuencia cero al camino de
la corriente de falla.
Figura 6. Dilatación de Voltaje (Swell)
1.7 NORMALIZACION
Desde la década de los 80, con el incremento en el uso de instrumentos de electrónica
de potencia en las plantas industriales, se despertó el interés de conservar las
condiciones en las señales de corriente y voltaje. Entidades nacionales e internacionales
definieron normas en las cuales se establecen recomendaciones y requerimientos para el
control de armónicos y la variación de los valores nominales de la corriente y el voltaje.
En este trabajo se adoptaron las normas internacionales de la IEEE que definen
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_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 22
parámetros relacionados con los temas en estudio. En cuanto a las normas nacionales,
la resolución 070 de la CREG del año 98 establece el reglamento de distribución de
energía eléctrica, como parte del reglamento de operación del sistema interconectado
nacional. En ella se define que los límites de distorsión armónica para los usuarios y las
empresas suministradoras del servicio de energía, no deben sobrepasar los establecidos
en la norma IEEE 519; por esta razón, en este trabajo solo se presentan los límites y
requerimientos establecidos en las normas internacionales descritas a continuación.
1.7.1 IEEE 519: Recomendaciones Prácticas y Requerimientos para el Control de
Armónicos en Sistemas Eléctricos de Potencia. El aumento en el uso de convertidores
estáticos, tanto en equipos de control industrial como en aplicaciones domésticas,
combinado con el aumento en el uso de los condensadores para el mejoramiento del
factor de potencia, han creado problemas generalizados. Debido a lo extenso de estos
problemas, ha sido necesario desarrollar técnicas y lineamientos para la instalación de
equipos y control de armónicos. Este segmento discute esos lineamientos y su
importancia en el diseño de sistemas.
Las normas estadounidenses con respecto a los armónicos han sido agrupadas por la
IEEE en la norma 519: IEEE Recomendaciones Prácticas y Requerimientos para el
Control de armónicas en Sistemas Eléctricos de Potencia. Existe un efecto combinado de
todas las cargas no lineales sobre el sistema de distribución la cual tienen una capacidad
limitada para absorber corrientes armónicas. Adicionalmente, las compañías de
distribución tienen la responsabilidad de proveer alta calidad de abastecimiento en lo que
respecta al nivel del voltaje y su forma de onda. IEEE 519 hace referencia no solo al nivel
absoluto de armónicos producido por una fuente individual sino también a su magnitud
con respecto a la red de abastecimiento.
El propósito de la IEEE 519 es el de recomendar límites en la distorsión armónica según
dos criterios distintos, específicamente:
1. Existe una limitación sobre la cantidad de corriente armónica que un consumidor
puede inyectar en la red de distribución eléctrica.
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2. Se establece una limitación en el nivel de voltaje armónico que una compañía de
distribución de electricidad puede suministrar al consumidor.
1.7.1.1 Lineamientos para Clientes Individuales. El límite primario de los clientes
individuales es la cantidad de corriente armónica que ellos pueden Inyectar en la red de
distribución. Los límites de corriente se basan en el tamaño del consumidor con respecto
al sistema de distribución. Los clientes más grandes se restringen más que los clientes
pequeños. El tamaño relativo de la carga con respecto a la fuente se define como la
relación de cortocircuito (SCR), en el punto de acoplamiento común (PCC), que es donde
la carga del consumidor se conecta con otras cargas en el sistema de potencia. El
tamaño del consumidor es definido por la corriente total de frecuencia fundamental en la
carga, IL, que incluye todas las cargas lineales y no lineales. El tamaño del sistema de
abastecimiento es definido por el nivel de la corriente de cortocircuito, Isc, en el PCC.
Estas dos corrientes definen el SCR:
ILIsc
MVAenacMVAitocortocircudePotencia
SCR ==arg
Una relación alta significa que la carga es relativamente pequeña y que los límites
aplicables no serán tan estrictos como los que corresponden cuando la relación es mas
baja. Esto se observa en la tabla 2, donde se recomiendan los niveles máximos de
distorsión armónica en función del valor de SCR y el orden de la armónica. La tabla
también identifica niveles totales de distorsión armónica. Todos los valores de distorsión
de corriente se dan en base a la máxima corriente de carga (demanda). La distorsión
total está en términos de la distorsión total de la demanda (TDD) en vez del término más
común, THD.
La tabla 2 muestra los límites de corriente para componentes de armónicas individuales
así como también la distorsión armónica total. Por ejemplo un consumidor con un SCR
entre 50 y 100 tiene un límite recomendado de 12.0% para TDD, mientras que para
componentes armónicas impares individuales menores a 11, el límite es del 10%.
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Tabla 2. IEEE 519 Límites en la Distorsión de la Corriente.
Límites de Corriente Armónica para Carga no lineal en el Punto Común de
acoplamiento con Otras Cargas, para voltajes entre 120 - 69,000 Voltios.
Máxima Distorsión Armónica Impar de la Corriente, en % del Armónico
Fundamental
ISC/IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <20* 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12..0 1 0CX 1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 >1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0
Límites de Corriente Armónica para Carga no lineal en el Punto Común de acoplamiento con Otras Cargas, para voltajes entre 69,000 -161,000
voltios.
Máxima Distorsión Armónica Impar de la Corriente, en % del Armónico
Fundamental
ISC/IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <20* 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5 20<50 3.5 1.75 1.25 0.5 0.25 4.0 50<100 5.0 2.25 2.0 0.75 0.35 6.0 100<1000 6.0 2.75 2.5 1.0 0.5 7.5 >1000 7.5 3.5 3.0 1.25 0.7 10.0
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Límites de Corriente Armónica para Carga no lineal en el Punto Común de acoplamiento con Otras Cargas, para voltajes > 161,000 voltios.
Máxima Distorsión Armónica Impar de la Corriente, en % del Armónico
fundamental
ISC/IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <50 2.0 1.0 0.75 0.30 0.15 2.5 ≥50 3.0 1.5 1.15 0.45 0.22 3.75
Los armónicos pares se limitan al 25% de los límites de los armónicos impares
Mostrados anteriormente
*Todo equipo de generación se limita a estos valores independientemente del
valor de lsc/lL que presente
Donde Isc = Corriente máxima de cortocircuito en el punto de acoplamiento común.
IL = Máxima demanda de la corriente de carga (a frecuencia fundamental) en el
punto de acoplamiento común.
TDD = Dis tors ión total de la demanda (RSS) en % de la demanda máxima .
Fuente: IEEE 519. Recommended practices and requirements for harmonic control in electrical power system.
Es importante notar que la Tabla 2 muestra únicamente los límites para armónicos
impares. IEEE 519 da lineamientos para los armónicos pares limitándolos al 25% de
los impares, dentro de la misma gama. El armónico par es el resultado de una onda
de corriente asimétrica (con forma diferente a la positiva y negativa) que puede
contener componentes DC que saturarán los núcleos magnéticos.
1.7.1.2 Los lineamientos para las compañías de electricidad. El segundo
conjunto de criterios establecido por IEEE 519 se refiere a los límites de distorsión
del voltaje. Estos rigen la cantidad de distorsión aceptable en el voltaje que entrega
la compañía de electricidad en el PCC de un consumidor. Los límites armónicos de
voltaje recomendados se basan en niveles lo suficientemente pequeños como para
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garantizar que el equipo de los suscriptores opere satisfactoriamente. La Tabla 3
enumera los límites de distorsión armónica de voltaje según IEEE 519.
Tabla 3. Límites de distorsión de Voltaje según IEEE 519
Voltaje de barra en el
punto de acoplamiento común
Distorsión individual
de tensionVoltaje (%)
Dis tors ión total del
voltaje THD (%)
Hasta 69 KV 3.0 5.0 D e 6 9 KV a 1 3 7 .9 KV 1.5 2.5
138 KV y más 1.0 1.5 Nota: Los sistemas de alto voltaje pueden llegar hasta un 2.0% en THD
cuando lo que causa es un alto voltaje terminal DC, el cual podría ser
atenuado Fuente: IEEE 519. Recommended practices and requirements for harmonic control in eléctrical power system.
Como es común, los límites se imponen sobre componentes individuales y sobre la
distorsión total para la combinación de todos los voltajes armónicos (THD). Lo
diferente en esta tabla, sin embargo, es que se muestran tres límites diferentes.
Ellos representan tres clases de voltaje; < 69 KV, de 69 a 137.9 KV, y > 138 KV.
Obsérvese que los límites disminuyen cuando el voltaje aumenta, al igual que para los
límites de corrientes.
Los armónicos pares individuales se limitan a un 25% de los límites armónicas impares,
al igual que sucede con las corrientes.
Es muy común que los alimentadores de las compañías de electricidad alimenten a más
de un consumidor. Los límites de distorsión de voltaje mostrados en la tabla no deberían
excederse mientras todos los consumidores conectados no superen los límites de
inyección de corriente. Cualquier consumidor que degrade el voltaje en el PCC deberá
corregir el problema. Sin embargo, el problema de distorsión de voltaje es uno para la
comunidad entera de consumidores en la actualidad.
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1.7.2 IEEE 1159: Recomendaciones prácticas para el monitoreo de la calidad de la
potencia eléctrica. La tabla 4 muestra la categorización de los fenómenos
electromagnéticos usados en el campo de la calidad de la potencia. Los fenómenos
listados en la tabla se describen por un listado adicional de atributos apropiados.
Para fenómenos de estado estable, los siguientes atributos pueden ser usados:
Amplitud
Frecuencia
Espectro
Modulación
Impedancia de la fuente
Profundidad de dentado
Área de dentado
Para fenómenos de estado no estable, otros atributos pueden ser requeridos:
Relación de subida
Amplitud
Duración
Espectro
Frecuencia
Relación de ocurrencia
Energía potencial
'Impedancia de la fuente
La tabla 4 suministra información en cuanto a un contenido espectral típico, duración,
y magnitud donde es apropiado para cada categoría de fenómeno electromagnético4.
Las categorías mostradas en la tabla 4, cuando se usan con los atributos
mencionados anteriormente, proporcionan un medio para describir claramente un
disturbio electromagnético. Estas categorías y descripciones son importantes en el
orden que pueden clasificar los resultados de las mediciones y describir los
fenómenos electromagnéticos que pueden causar problemas en la calidad de la
potencia. 4 DUGAN, Op. Oit., p. 11.
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Tabla 4. IEEE 1159 Categorías y características de los fenómenos
electromagnéticos en sistemas de potencia. Categorías
Contenido
espectral típico
Duración típica
Magnitud del
voltaje típico 1 .0 Transitorios 1.1 Impulso 1.1.1 Nanosegundos 5 ns de subida < 50 ns 1 .1 .2 Microsegundos 1 us de subida 50 ns - 1 ms 1.1.3Milisegundos 0,1 ms de subida > 1 ms 1 .2 Oscilaciones 1 .2.1 Baja frecuencia <5k H z 0,3 - 50 ms 0-4 pu 1 .2.2 Media frecuencia 5-500 kHz 20 us 0-8 pu 1 .2.3 Alta frecuencia 0,5-5 MHz 5 us 0-4 pu 2.0 Variaciones de corta duración 2.1 Instantáneas 2.1.1 Sags 0 ,5-30 ciclos 0, 1-0,9 pu 2.1.2Swells 0 ,5-30 ciclos 1,1-1, 8 pu 2.2 Momentánea 2.2.1 Interrupción 0,5 ciclos - 3 s < 0,1 pu 2.2.2 Sags 30 ciclos - 3 s 0,1-0,9 pu 2.2.3 Swells 30 ciclos - 3 s 1,1-1, 4 pu 2.3 Temporales
2.3.1 Interrupción 3 s - 1 m < 0,1 pu 2.3.2 Sag 3 s - 1 m 0,1-0,9 pu 2.3.3 Swell 3 s - 1 m 1,1-1,2pu 3.0 Variaciones de larga duración 3.1 Interrupción sostenida > 1 m 0-0 pu 3.2 Subvoltaje > 1 m 0,8-0,9 pu 3.3 Sobrevoltaje > 1 m 1,1-1,2pu 4.0 Desbalance de voltajes Estado estable 0,5-2 % 5.0 Distorsión en la forma de onda 5.1 offset DC Estado estable 0-0,1 % 5.2 Armónicos 0-100th h Estado estable 0-20% 5.3 Interarmónicos 0,6 kHz Estado estable 0-2 % 5.4 Muescas Estado estable 5.5 Ruido Banda - Ancha Estado estable 0-1 % 6.0 Fluctuaciones de voltaje <2 5 H z Intermitente 0,1-7% 7.0 Variaciones de frecuencia < 10s Fuente: IEEE 1159. Recommended practices for monitoring electric power quality.
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En la tabla 5 se resumen los principales aspecto de evaluación de la calida de potencia
eléctrica y sus límites permisibles, los cuales son utilizados como parámetros de
evaluación.
Tabla 5. Rangos típicos de entrada y parámetros de la carga para la calidad de potencia
eléctrica (ANSI / IEEE STD 446187 P.73.)
Parámetros1 Rango o máximo
1- regulación de tensión en estado estable
+5%, -10% Norma NTC 1340.+10%,-15%, (ANSI C84.1-1970 +6%,-13%)
2- Disturbios en tensión subestaciones momentáneas
-25% a 30% para tiempos menores a 0.5s. Es aceptable el 100% para tiempos entre 4 a 20 ms
Sobretensiones transitorias + 150% a 200% para tiempos menores a 0.2 ms
3- Distorsión armónica en tensión2 3 a 5% con cargas lineales 4- Ruido No específica 5- Fluctuaciones en frecuencia 60 Hz +/- 0.5 Hz a +1-1 HZ 6- Razón de cambio en la frecuencia 1 Hz / s 7- Desbalance de tensión en sistemas trifasicos3
2.5 a 5%
8- Desbalance de carga en sistemas trifasicos4
5 a 20% máximo para cualquiera de las fases
9- Factor de potencia 0.8 a 0.9 (para Colombia 0.9) 10- Demanda de carga 0.75 a 0.85 (de la carga conectada) Fuente: IEEE 1159. Recommended practices for monitoring electric power quality.
1 Los parámetros 1, 2, 5 y 6 dependen de la fuente de poder, mientras que los
parámetros 3, 4 y 7 son el producto de la interacción de la fuente y la carga, y
los, parámetro 8, 9 y 10 dependen de la carga.
2 Se calcula como la suma vectorial de todos los voltajes.
3 Calculada como se presenta a continuación:
Desbalance del voltaje de fase (%) = VcVbVa
VV++
− min)max(3 *100
4 Calculada como la diferencia de la carga monofásica promedio.
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La tabla 6 muestra la distorsión armónica total de tensión (TDD) y sus valores
recomendados de acuerdo con el rango de tensión en el punto de acoplamiento
común.
Tabla 6. Límites de distorsión de tensión según la Guía IEEE 519-1992
Tensión en el PCC (Kv) Distorsión Individual (%) TDD (%)
69 y menor 3.0 5.0
69,001 a 161 1.5 2.5
161,001 y mayor 1.0 1.5
Fuente: IEEE 1159. Recommended practices for monitoring electric power quality.
La tabla 7 lista los límites de corriente armónica basados en el tamaño de la carga con
respecto al tamaño del sistema de potencia al cual la carga está conectada.
Tabla 7. Limites de distorsión de corriente para sistemas de distribución
(120 V a 69000 V) según la Guía IEEE 5-19 – 1992.
ISC/IL <11 11<h<17 17<h<23 23<h<35 35<h TDD
<20 4 2 1.5 0.6 0.3 5
20<50 7 3.5 2.5 1 0.5 8
50<100 10 4.5 4 1.5 0.7 12
100<1000 12 5.5 5 2 1 15
>1000 15 7 6 2.5 1.4 20
Fuente: IEEE 1159. Recommended practices for monitoring electric power quality.
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2. PROTEINAS Y ENERGETICOS DE COLOMBIA
PROTEICOL S.A.
2.1 HISTORIA
La empresa fue fundada en 1975 como sociedad limitada con capital colombo
panameño. Fue una empresa pionera en el procesamiento de subproductos
animales en el país y se destacó por la compra de tecnología de punta. En 1986
la sociedad se transformó a sociedad anónima. En el 2003 la empresa obtuvo el
registro ICA como productor de harinas de origen animal.
2.2 CAPACIDAD
La planta tiene capacidad instalada para procesar 100 ton/día de subproductos
animales. Tiene una producción mensual de 700 ton de premezclas para
alimentación animal
2.3 SUMARIO DE ACTIVIDADES
PROTEICOL S.A. compra a las plantas de sacrificio de especies avícolas,
bovinas y porcinas, y a intermediarios, los subproductos animales obtenidos
durante el proceso de sacrificio como son: Plumas, sangre, huesos, y vísceras.
Estos materiales son recogidos por camiones de la compañía y llevados a la
planta donde son clasificados y procesados de acuerdo al tipo de producto que se
desee obtener como se muestra en la figura 1.
Figura 7. Diagrama Proceso Producción.
Hidrólisi s seca
Hidrólisis Humeda Mezcl ado
Extraccion grasa
Secado
Molienda
Tamizado
Enfri amientoMateria Prima
Producto Terminado
Empaque
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El 80% de la producción de la planta corresponde a la premezcla base carne, el
20% restante se divide entre la premezcla base sangre, el sebo fundido y el
hueso vaporizado él cual es un producto intermedio y se usa en la fabricación de
la base de carne. Los productos de la empresa son comprados por empresas de
concentrados, granjas avícolas y distribuidoras de insumos agrícolas. El producto
se distribuye a nivel nacional, sin embargo el mayor porcentaje de la producción
se consume en Antioquia.
2.4 MISION
La misión de PROTEICOL S.A. es ser el proveedor líder de proteínas animales
para la industria de alimentos balanceados en la zona centro del país. Para ello
PROTEICOL S.A. fortalecerá su compromiso de proveer bases proteìnicas de
acuerdo a la especificaciones de los clientes implementado procesos mas
eficientes mediante el uso de tecnología de punta. Como empresa comprometida
con la protección del medio ambiente seguirá controlando sus efluentes y
emisiones para contribuir a mitigar el impacto de la actividad industrial en la zona
del Muña.
2.5 VISION
Mediante la implementación de líneas para el procesamiento por separado de las
materias primas la empresa planea disminuir a lo largo del 2005 la elaboración de
la base de carne hasta llevarla al 20% de su producción total. Para Diciembre de
2005 se tendrá a disposición de los clientes las premezclas base vísceras de
pollo, base pollo, base pluma y base sangre de pollo con lo que se espera llegar
al 25% de la participación en el mercado de bases proteìnicas de origen animal
de la zona centro del país. Paralelo al desarrollo de los nuevos productos, la
empresa comenzará un proceso de mejoramiento de sus procesos e instalaciones
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_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 33
con miras a implementar un sistema de aseguramiento de la calidad para Julio del
2006. Para el 2008 PROTEICOL S.A. estará posicionado como el proveedor líder
de bases proteinicas de origen animal a nivel nacional.
2.6 PLANTA PROTEICOL
Esta planta està ubicada en Kilómetro 1 vía a Silvania, diagonal a Icollantas. Esta
planta fabrica base proteínica de origen animal la cual es utilizada para la
fabricación de concentrado para caballos, vacas, perros, gatos etc.
2.6.2 DESCRIPCIÓN DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN
Actualmente PROTEICOL S.A. procesa subproductos de plantas de sacrificio
avícola y bovino para obtener los siguientes tipos de premezclas:
1. Premezcla base pluma
2. Premezcla base carne
3. Premezcla base sangre
4. Premezcla base hueso vaporizado
1. Proceso premezcla base pluma:
La pluma fresca, con un contenido de humedad del 60 al 70%, se alimenta al
digestor del cual se obtiene un producto con el 30% de humedad. Este producto
intermedio se somete a secamiento para reducir el nivel de humedad del 8 a 10%.
Se adiciona como biocida Luctasalm y se procede a la homogenización. La
premezcla se empaca en sacos de polipropileno de 40 kg.
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_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 34
2. Proceso premezcla base carne
Los subproductos de matadero se alimentan al digestor de acuerdo a
proporciones determinadas por el departamento de producción de la empresa. El
proceso es tipo batch y la carga de cada digestor es de 2800 a 3000 kg/ batch.
El proceso se divide en dos etapas: Esterilización y secado. De acuerdo a las
necesidades de producción el secado se lleva a cabo en dos partes:
Inicial: En el digestor, hasta una humedad del 25 al 30%,
Final: En el secador rotatorio, hasta una humedad del 10% al 12%
Luego del secado la premezcla pasa al molino de martillos donde se obtiene un
tamaño de partícula de 3.5 mm y una humedad final del 8%. Se adiciona a la
premezcla Luctasalm, a razón de 5 kg. por tonelada, y se somete a un proceso de
homogenización. La presentación final del producto es en sacos de polipropileno
de 50 kg.
3. Premezcla base sangre
La sangre de bovino, con un 82 % de humedad, se mezcla con un 2% en peso de
hueso de bovino crudo y se somete a secamiento durante 8 horas. Al culminar el
proceso la humedad està entre el 8 y 10%. La premezcla se somete a zarandeo
para obtener un tamaño de partícula de 0.5 mm. El Luctasalm se agrega en
proporción de 1:200 en peso. La premezcla se somete a un proceso
homogenización y luego se empaca en sacos de polipropileno de 50 kg.
4. Premezcla base hueso vaporizado
Para la extracción de sebo, el hueso de bovino se vaporiza a 75 lb/in2 durante una
hora por tonelada de hueso fresco. El residuo del proceso es hueso vaporizado
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_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 35
con un 30% de humedad. El hueso se somete a secamiento en los digestores
hasta alcanzar una humedad de máximo el 5 %. El producto luego se muele y se
empaca en lonas de polipropileno de 50 kg
2.7 LEVANTAMIENTO DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Durante el desarrollo del proyecto se realizaron levantamientos de información
sobre los diferentes equipos eléctricos que se encuentran instalados en la planta
y de los cuales no se tenía información precisa. En esta sección se presentan
algunas tablas que describen las características mas importantes de la planta.
2.7.1 DESCRIPCION GENERAL DE EQUIPOS E INSTALACIONES
Las instalaciones de la planta de PROTEICOL S.A. constan de una bodega de
768 m2 con un entresuelo de 217 m2. Cuenta con tres áreas cubiertas adicionales
de 100 m2, 320 m2 y 144 m2, en las cuales se encuentran ubicadas las zonas de
recibo, sistema de condensación y producción de sebo respectivamente. En la
tabla No. 6 se describen los equipos con que cuenta la planta, por zona de
producción
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Tabla No. 8 Descripción de equipos.
Área Zona de Producción
m2 Equipos Cantidad
Producción Premezcla base carne
Digestión 140 Digestores 7
Secador rotatorio a vapor 1
Hidrolizador 1 Secado e hidrólisis de
pluma 191.5
Transportador sinfín 2
Molino de martillos 2 Molienda 49
Transportador sinfín 1
Mezcladora vertical 1
Transportador sinfín 1 Empaque y
almacenamiento 325
Báscula electrónica 1
Producción sebo
Autoclave con serpentín 2
Autoclave vapor directo 1
Tanques lavado 3 Extracción 144
Bomba para sebo 1
Secador 1
Tanques almacenamiento 5 Secado y
almacenamiento
Bomba para sebo 1
Equipos Auxiliares
Generación de vapor Calderas pirotubulares a carbón 4
Suministro de energía Subestación eléctrica 500 KVA 1
Suministro de agua Bomba sumergible 1
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_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 37
Para el tratamiento de efluentes Proteicol S.A. cuenta con los siguientes equipos
adicionales:
Tipo de efluente Equipo Cantidad
Ciclón 2 Gases de combustión
Ventilador de tiro inducido 1
Tanque de homogeneización 1
Tanque tratamiento 6
Sedimentador 1 Aguas de proceso
Aireador 1
Ciclón 5
Aerocondensador 2 Vapores de proceso
Intercambiador de calor 1
En la tabla No. 7 se muestra la descripción de los principales motores de la planta
Tabla No 9 Descripción principales motores
SECCION MOTOR POTENCIA
(HP)
CORRIENTE
(A)
Mezclador 12 16.5 Mezcladora
Trans. mezclador 3 4.42
Elevador 3 4.42 Descarga material
Trans. canecas 2.5 3
Molino 50 55
T. saca molino 3 4.4 Molino
T. alimenta molino 3 4.4
Secadora Secadora 6.6 8.2
Transportador Transportador 3 4.4
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1 50 64
2 50 64
3 50 64
4 50 64
Cooker
5 50 64
Alimentador 7 10
Agitador 15 20 Hidrolizado
Hidrolizadora 50 64
1 5 7.5 Compresores
2 6.6 10
1 12 16.9
2 12 16.9
3 15 20 Calderas
4 25 32.8
1 7.5 13.7
2 7.5 13.7
3 12 16.9 Extractores
Quebrador 50 60
Bomba 6.6 10
Agitador 2.5 3 Ácidos grasos
Barreno 12 16.5
Bomba 17 10
Polipasto 4 5.5 Auto Clave
Elevador 4 5.5
1 3 4.4
2 3 4.4 Aguas Residuales
3 3 4.4
Extractor Extractor 2.5 3
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Soldador 40 50
Esmeril 6.6 10
Tala árbol 2 3
Otro 4 5.5
Taller
Otro 10 13.7
Además la subestación de la planta cuenta con dos transformadores: uno de 500 kVA
y el otro de 50 kVA los cuales se describen en la tabla No 8.
Tabla No 10 detalles transformadores
CARACTERISTICAS TRAFO 1 TRAFO 2
Potencia (KVA) 500 50
No. fases 3 3
Tensión Primario 13.2/11.4 kV 440 V
Tensión Secundario 456/263 V 225/130 V
Corriente Primario (A) 21.87 65.6
Corriente Secundario 633/547 128.5
Frecuencia (Hz) 60 60
Tipo Ckoum 652 seco
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2.7.2 CARACTERIZACIÓN DE LA EMPRESA:
PROTEICOL S.A. Es una empresa que ha crecido de una forma empírica y nunca ha
tenido una planeación previa. Esto se ve reflejado en sus instalaciones eléctricas,
principalmente en la subestación en donde la capacidad instalada ya superó la
capacidad del transformador, las bandejas portacables son inadecuadas para este
tipo de plantas en donde la contaminación es bastante grande. Una muestra de esto
es la pérdida de tensión entre la salida del transformador y las cargas, que varía
entre 20 y 25 voltios. Esto se debe al sobrecalentamiento de los conductores en
estas bandejas. Los tableros de distribución son inadecuados aparte que no están
aterrizados y los sistemas de mando y control de los motores son muy viejos y
defectuosos (interruptores puenteados entre las fases, reles térmicos y contactores
mal instalados etc.), el neutro de la subestación está unido con la tierra, los vasos de
los condensadores se encuentran sueltos. Por esto y mucho mas se puede
diagnosticar como crítico el sistema eléctrico de la planta, por este motivo se
recomendó la realización de una termografía la cual se llevó a cabo el día 27-08 2005
por medio de una empresa prestadora de este servicio. Los resultados de esta
termografía los veremos mas a delante.
2.8 DIAGRAMA UNIFILAR
El diagrama unifilar de PROTEICOL S.A. se levantó completamente, desde la
entrada de media tensión hasta los tableros generales de distribución. En el
levantamiento se especifica: nombre del circuito, capacidad de la protección, calibre
de los conductores, capacidad de los motores.
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Este diagrama unifilar fue de gran ayuda en el desarrollo del proyecto, pues gracias a
esto se facilitó la ubicación de los diferentes equipos dentro de la empresa, el
conocimiento de las características de cada uno de ellos y la distribución de la carga
que se tiene.
El levantamiento del diagrama unifilar se inició con la identificación de los equipos de
la subestación y a revisar si los datos eran reales, luego se procedió a revisar los
tableros de distribución y sus respectivas cargas, el calibre de los conductores y la
capacidad de las protecciones. Este diagrama lo podemos encontrar en el ANEXO
A.
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3. MEDICIONES REALIZADAS Y DATOS OBTENIDOS
Uno de los objetivos específicos de este trabajo de grado, era realizar mediciones en
las instalaciones eléctricas de PROTEICOL S.A., con el fin de conocer los niveles
que se tienen de distorsión armónica y transitorios electromagnéticos en las
instalaciones y equipos.
Con el analizador de redes de la universidad se monitorearon los parámetros de
distorsión armónica, de acuerdo con los niveles establecidos por las
recomendaciones de IEEE tenidas en cuenta en la realización de este estudio. Con
el analizador de redes AEMC se registraron los siguientes parámetros eléctricos:
corrientes fundamentales, distorsión armónica total de corriente (THDI), distorsión
armónica total de voltaje (THDV), corrientes y voltajes armónicos del 2° al 50°
armónico, análisis de la frecuencia.
Estos parámetros fueron medidos en el secundario del transformador para
determinan si la empresa le suministra armónicos a la red, en una de las cargas más
grandes para mirar si es generadora de armónicos y en el banco de condensadores.
Las mediciones fueron realizadas en el mes de Abril del presente año monitoreando
los parámetros descritos a continuación en cada una de las fechas indicadas,
además las medidas se realizaron los días jueves y viernes que son días de gran
entrada de material a la planta por la cantidad de sacrificios que se dan para el fin de
semana.
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Tabla No 11 . Mediciones realizadas
Primera medición:
Fecha: 15 Abril 2005-08-25
Ubicación: Transformador 500 kVA.
Equipo utilizado: Analizador de redes AEMC
Parámetros eléctricos monitoreados: frecuencia, Vrms, Urms, Arms, Uthd, Vthd, Athd,
Potencia Activa, Reactiva y Aparente, Energía Activa, Reactiva y Aparente.
Tiempo de monitoreo 8:30 AM- 6:00 PM
Segunda medición:
Fecha: 21 Abril 2005-08-25
Ubicación: Motor 50 hp.
Equipo utilizado: Analizador de redes AEMC
Parámetros eléctricos monitoreados: frecuencia, Vrms, Urms, Arms, Uthd, Vthd, Athd,
Potencia Activa, Reactiva y Aparente, Energía Activa, Reactiva y Aparente.
Tiempo de monitoreo 8:00 AM- 3:30 PM
Tercera medición:
Fecha: 28 Abril 2005-08-25
Equipo utilizado: Analizador de redes AEMC
Parámetros eléctricos monitoreados: frecuencia, Vrms, Urms, Arms, Uthd, Vthd, Athd,
Potencia Activa, Reactiva y Aparente, Energía Activa, Reactiva y Aparente.
Tiempo de monitoreo 9:00 AM- 6:30 PM
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3.1 CRITERIOS TENIDOS EN CUENTA
En cada una de las mediciones efectuadas, se tuvieron en cuenta ciertos criterios
que de una u otra forma reflejan el estado en que se encuentra la calidad de la
potencia en las instalaciones de PROTEICOL S.A. uno de ellos fue el tomar
mediciones en el secundario del transformador de potencia para conocer el
porcentaje de corriente armónica emitido por la planta hacia las redes de la empresa
suministradora de energía y el voltaje armónico presente en este punto de la
empresa.
3.2 NECESIDADES PLANTEADAS POR LAS DIRECTIVAS DE PROTEICOL S.A.
Una de las necesidades planteadas por la parte administrativa de la empresa era la
de saber si se encontraban dentro de los límites de distorsión armónica permitida por
las entidades reguladoras de nuestro país; Además por saber como pueden mejorar
sus instalaciones eléctricas para darle mejor confiabilidad a sus equipos eléctricos.
Otro de los puntos importantes expresados por los directivos fue la del levantamiento
del diagrama unifilar ya que esta no contaba con este, ni con una lista detallada de
los equipos con sus características respectivas.
3.3 PROBLEMAS IDENTIFICADOS
Los problemas identificados en el desarrollo del proyecto de grado y que afectan la
calidad de la potencia en las instalaciones eléctricas de PROTEICOL S.A. se
mencionan a continuación.
Uno de ellos se refiere a la forma en que está conectado el transformador de
potencia, puesto que este tiene puenteado en la bornera el neutro con la tierra y este
con la tierra de los tableros de distribución. Esto implica que en algunos momentos
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_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 45
se pueden presentar corrientes muy altas por estos conductores y estos energizar
tableros, motores etc.
No se ha realizado el mantenimiento en la subestación eléctrica para verificar el
estado de contactos, apertura y cierre de seccionadores e interruptores.
El exceso de puntos calientes en la subestación y los tableros de distribución por falta
de mantenimiento preventivo según lo indica la termografía realizada el día 27 de
agosto del presente año.
Caída de tensión excesiva desde el transformador hasta las cargas por
calentamiento en los conductores, ya que la bandeja portacables es cerrada y está
llena de harina, plumas y cualquier material que se pueda encontrar en la planta.
La falta de identificación en las protecciones, las celdas, los tableros de distribución y
los circuitos de la empresa, al igual que una selección inadecuada en las
protecciones de las máquinas, son otros de los problemas encontrados y los cuales
se especifican en mas detalle en el siguiente capítulo.
3.4 PRESENTACION ESTADISTICA DE DATOS
En el anexo B se presentan las tablas y gráficos de los datos de todos los registros
obtenidos en las mediciones. Cada tabla presenta los parámetros eléctricos
monitoreados en cada una de las fechas indicadas al inicio de este capítulo.
El objetivo principal de la medición es verificar el comportamiento de los parámetros
eléctricos en baja tensión, determinar las condiciones de operación del sistema
eléctrico interno de manera general, por medio del monitoreo en estos puntos del
sistema. Estos datos los podemos encontrar en el anexo D.
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3.4.1 ARMÓNICOS. En la tabla No. 10 se presenta el resumen de los registros
obtenidos en el secundario del transformador, en el banco de condensadores y en
uno de los motores de la empresa, en cuanto a los parámetros de distorsión
armónica de corriente y voltaje. En esta tabla solo se presentan los valores
promedio, máximo y mínimo de todos los datos registrados en cada una de las
fechas indicadas; después de estos datos, se encuentran los valores totales
promediados de las tres fases, esto en el caso de las corrientes y los porcentajes de
distorsión armónica. En el anexo A se presentan los datos arrojados por el
analizador de redes.
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De acuerdo con los datos mostrados en la tabla No 11, se observa que los
porcentajes de distorsión armónica de corriente para el transformador son superiores
a 7.8 % lo cual representa un nivel medio de distorsión armónica en este equipo (esto
se determinará en forma mas exacta en la siguiente sección donde se definen los
límites establecidos por IEEE). En cuanto a los porcentajes de distorsión de voltaje
este se encuentra en un valor medio de 2.6% este valor también se puede considerar
como medio si se tienen en cuenta las recomendaciones de la IEEE.
En el motor de 50 hp los porcentajes de corriente son menores del orden del 4.5%
pero los de voltaje son casi de la misma magnitud, de 2.5% lo contrario que pasa en
el banco de condensadores en donde el porcentaje en corriente es de 11.8% que es
un nivel alto y en tensión el 2% que se sigue manteniendo.
3.4.2 MEDICIÓN DE TRANSITORIOS (SAGS Y SWELL)
En las mediciones realizadas en la subestación se programó el equipo analizador de
red para capturar disturbios de tensión de sags y swell. En estas mediciones los
valores registrados no superan los límites establecidos por la norma IEEE 1159:
(Recomendaciones practicas y requerimientos para el control de armónicos en
sistemas eléctricos de potencia tabla 4) en la cual se establece que los Sags de
tensión no deben ser menores al 90% del valor nominal, y los Swell no pueden ser
superiores al 110% del valor nominal de la tensión. Estos porcentajes se aplicaron
en la tensión de fase en el transformador de potencia.
VV
V LLNL 3.254
3440
3=== −
−
Sag: 254.3*0.9 = 228.9 V
Swell: 254.3*1.1 = 279.8 V
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Debido a que las tensiones registradas no superan estos límites, el analizador de red
no registró perturbaciones, estos valores de tensión se muestran en la tabla 8 del
transformador.
3.4.3 DISTORSIÓN ARMÓNICA TDD.
Como se observa hay una presencia de los armónicos 5, 7 y 11. El factor de
distorsión armónica en corriente (TDD) es de 15 % que corresponden con las
mediciones realizadas.
prom
prom
I
ITHDIpromTDDprom
max*% =
%96.553.3143.218
*596.8% ==TDDprom
Según los datos obtenidos, el porcentaje en el 5, 7 y 11 armónico están dentro de lo
permitido por la norma IEEE 519 de 1992.
Para este caso encontramos 4 sobrepasos dos de 10 minutos, uno de 15 minutos y
otro de 40 minutos, la norma admite estos sobrepasos por lo que son de periodos
muy cortos.
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3.5 INTERPRETACION DE LA INFORMACION
De acuerdo con lo establecido en la norma IEEE 519, para conocer los límites de
distorsión armónica de un consumidor, primero se debe conocer el tamaño relativo de
la carga con respecto a la fuente lo cual se define como la relación de cortocircuito
(SCR), que se definió en la sección 1.7.1.1 como:
ILIsc
MVAenacMVAenitocortocircudecapacidad
SCR ==arg
Donde:
Isc: Es el nivel de la corriente de cortocircuito en el PCC que nos define el tamaño del
sistema de abastecimiento.
IL: es la corriente total a frecuencia fundamental que incluye todas las cargas lineales
y no lineales, y define el tamaño del consumidor.
Según los datos suministrados por CODENSA S.A E.S.P, que se presentan en el
anexo B, el nivel de cortocircuito en el PCC para PROTEICOL S.A. es de 3.897.86 A.
La corriente de carga total se definió con los datos de la corriente promedio máxima
de la tabla 8 la cual es de 314.5 referido al primario es 12.57 A.
02.31057.12
3897 ===ILIscSCR
Con este valor se definieron los límites de distorsión armónica aplicables en este
estudio, establecidos por la norma IEEE 519, que de acuerdo con las características
de la empresa serán los contenidos en la primera sección de la tabla 2 (para voltajes
entre 120 y 69000 voltios) y el rango de relación de cortocircuito de la cuarta fila
(100<1000), dentro del cual se encuentra PROTEICOL S.A.
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En el anexo E se presentan todas las gráficas que se obtuvieron con los valores de
corriente y los porcentajes de distorsión armónica registrados en el transformador, en
una de las cargas y en el banco de condensadores de la empresa PROTEICOL S.A..
A continuación se describe el contenido de cada una de ellas y se hace una
comparación de los resultados obtenidos con la norma.
En la figura del 1 al 8 del anexo E, se presentan en forma gráfica los datos de
corriente, distorsión armónica total y voltaje total obtenidos en la toma de muestras
con el analizador de redes en el transformador, una de las cargas y en el banco de
condensadores. En estas gráficas se señalan los límites establecidos por la norma
IEEE 519 para las distorsiones de corriente y de voltaje. En estas gráficas vemos
que en el secundario del transformador sobrepasa los niveles de distorsión
establecidos por la norma IEEE 519 para corriente mientras que para voltaje se
mantiene dentro de lo establecido en la norma.
En las gráficas 1 al 14 del anexo D se muestran las corrientes, tensiones, THD y
porcentajes de distorsión armónica individual (2° al 25° orden) de tensión y corriente,
3.6 DIAGNÓSTICO AL QUE SE LLEGA
Después de haber presentado las estadísticas de los datos obtenidos en las
mediciones de armónicos en las instalaciones de PROTEICOL S.A. se llegó a
determinar que la calidad de potencia eléctrica en la empresa está siendo afectada
por:
Se presenta distorsión armónica importante en la corriente de las fases. Esto
se puede presentar por el desbalance de corrientes
Para los niveles de distorsión armónica individual no tenemos problema por lo
que se encuentran dentro de los parámetros establecidos, excepto por los
porcentajes de tensión presentes en el quinto armónico, en el transformador
que sobrepasan los niveles permitidos por la norma IEEE 519.
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3.7 ACCIONES A SEGUIR
Por los niveles de distorsión armónica de corriente presentes en el transformador
de potencia, se debe pensar en instalar filtros en las líneas. Esto se deduce
después de analizar las gráficas, ya que se ve un porcentaje en el quinto, séptimo
y onceavo armónico, estos se ven incrementados por los variadores de velocidad
y UPS, de la planta que aunque son pocos y de manera temporal, son
representativos; Y en el momento de automatizar la empresa estos presentarán
un gran aumento en este porcentaje.
Las conexiones de puesta a tierra en la subestación eléctrica deben ser
modificadas. El neutro del transformador de la empresa debe ser aterrizado
directamente a un punto de tierra físico.
3.8 EQUIPOS DE MEDICION UTILIZADOS
3.8.1 ANALIZADOR DE REDES TRIFÁSICO AEMC 3945.
Figura 8. Analizador de redes trifásico
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4. SUBPROYECTOS PLANTEADOS EN CALIDAD DE POTENCIA
Durante el desarrollo del trabajo de grado, además de conocer y analizar los
problemas relacionados con los temas en estudio de armónicos, sags y swell, se
identificaron otros problemas que se tienen en las instalaciones de PROTEICOL
S.A. y que de alguna manera pueden afectar la calidad de la potencia en esta
industria de proteína animal. Algunos de estos problemas al ser mejorados
pueden aumentar la confiabilidad de las instalaciones eléctricas y contribuirán con
la reducción de pérdidas eléctricas y los costos en la facturación de la energía.
4.1.1 IDENTIFICACION DE CELDAS, PROTECCIONES Y CIRCUITOS
Debido a los cambios realizados en las instalaciones eléctricas, las celdas,
tableros y protecciones no están debidamente identificados; esto lo podemos ver
en la siguientes gráficas.
Gráfica 9. Tableros
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Gráfica. 10 Tableros
Gráfica 11. Tableros
Estos gabinetes aunque presentan señales de peligro no poseen ningún tipo de
señalización ni identificación de las máquinas a los cuales pertenecen como lo vemos
en las gráficas; además que se encuentran en un grado de degeneración y los
cables de media tensión no se encuentran canalizados. Esto genera condiciones de
peligro para el personal de mantenimiento y operarios de la planta.
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4.1.2 CAMBIO DE LOS SISTEMAS DE BANDEJAS PORTA CABLES
En esta planta los sistemas de bandejas portacables no son los adecuados ya que
son cerrados y por la cantidad de contaminación se llenan de harina y de todo tipo de
material. Esto también lo podemos ver a continuación.
Gráfica 12. Bandejas portacables
Esto implica sobrecalentamiento en los conductores y por consiguiente pérdidas en
los conductores; además que los conductores ya se encuentran cuarteados y
sulfatados.
4.1.3 REPLANTEAMIENTO DE CAPACIDAD DE PROTECCIONES.
Algunas de las protecciones termomagnéticas no han sido seleccionadas de manera
adecuada para las máquinas o circuitos que se quieren proteger. Por los cambios
que han sufrido la instalación eléctrica de la empresa y por los daños que estas
máquinas presentan no se cambian de la manera más adecuada. Con las
protecciones mal dimensionadas en caso de una falla no alcanzan a operar de la
manera mas adecuada y las máquinas pueden sufrir daños irreparables.
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4.1.4 POLUCION EN LA SUBESTACION
En la subestación hay mucha polución, ya que esta se encuentra cerca de la zona de
la empacadora y almacenaje de la harina lo cual puede causar fallas en el
aislamiento como lo vemos en la gráfica No. 7.
Gráfica 13. Subestación
4 . 1. 5 EQUIPOS DE MEDIDA Y SEÑALIZACION
Los equipos de medida y señalización ya cumplieron su vida útil ya que los
transformadores de corriente, y de tensión no sirven lo mismo que los amperímetros
y voltímetros, además de los pilotos ubicados en los tableros, aproximadamente
estos tienen entre 20 y 30 años de ser instalados como lo vemos a continuación.
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Gráfica 14. Equipos de medida y señalización
4 . 1. 6 PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS
La planta no cuenta con ningún sistema de protección contra descargas
atmosféricas.
4. 1. 7 ILUMINACION PLANTA
La planta no cuenta con un sistema de iluminación adecuado, ya que la zona de
empaque se encuentra iluminada con lámparas de 2 x 39 W, las cuales no son las
adecuadas, lo mismo sucede en la zona de producción la cantidad de luxes no es la
proporcionada para estas labores de proceso, esto sin contar la iluminación exterior
de la planta, que se encuentra formada por luminarias de mercurio las cuales
generan luz ultravioleta ya que esta atrae los insectos sin mencionar que es muy
poca la iluminación en estas áreas, para estas empresas según el RETIE en nivel de
iluminación es de 300 luxes para alumbrado interior y de 30 luxes para alumbrado
público5.
5 Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE
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4.2 PROYECTOS
En este capítulo estos problemas se plantean como subproyectos de calidad de
potencia en los cuales se hace una descripción del problema, costos que esto
implica y beneficios para cada uno de ellos. Para efectos de esta parte del
estudio se recurrió a los requerimientos establecidos en el RETIE y en especial a
los siguientes artículos relacionados con los siguiente problemas.
Art 11: Señalización y seguridad.
Art 17: Numeral 6: Dispositivos de protección contra sobretensiones.
Numeral 7: Interruptores de baja tensión.
Numeral 9: Tableros eléctricos.
Art 42: Requisitos de protección contra rayos.
Art 43: Mantenimiento de instalaciones eléctricas.
4.2.1 PROYECTO DE CONSTRUCCIÓN DE CELDAS PARA
TRANSFORMADORES Y PROTECCIONES.
DESCRIPCIÓN: En la subestación, el transformador, protecciones y equipos de
medida no se encuentran en celdas como lo requieren las normas sino que están
ubicados en un solo cuarto, los cables de media tensión no tienen canalización y
no está demarcada la zona de seguridad.
JUSTIFICACIÓN: Este proyecto se justifica por las siguientes razones:
Seguridad para el personal de mantenimiento y personal de la empresa
prestadora del servicio de energía.
Los equipos estarían menos expuestos a la polución.
Mejor operabilidad de los equipos.
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EQUIPOS QUE INTERVIENEN: Transformador de potencia 500 kVA,
protecciones, equipos de medida y cables de media tensión.
INVERSIONES ASOCIADAS: Costo de construcción de celdas y mano de obra:
Sujeto a disposición de la empresa.
OBSERVACIONES: Se sugiere hacer el cambio de esta subestación tipo local
por una subestación capsulada.
TIEMPO DE EJECUCION: mediano plazo (2-3 años)
4.2.2 PROYECTO DE IDENTIFICACION DE PROTECCIONES Y CIRCUITOS
DESCRIPCIÓN: debido al cambio y aumento de máquinas dentro de la planta, los
tableros y protecciones de cada equipo no están debidamente identificados.
JUSTIFICACIÓN: Este proyecto se justifica por las siguientes razones:
Facilita a electricistas y operarios la identificación de tableros y
protecciones de cada máquina.
Identificar fácilmente el origen y destino de cada circuito.
Facilitar a personal externo la ubicación e identificación de las protecciones
de cada circuito, para realizar su desenergización cuando sea necesario.
EQUIPOS QUE INTERVIENEN: Tableros de distribución, centros de control,
conductores de los circuitos de entrada y salida de los tableros de distribución.
INVERSIONES ASOCIADAS: Costo de las placas para la identificación y
rotuladoras. La instalación de estas estaría a cargo del personal de electricistas y
mantenimiento.
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Placas en acrílico: $ 400.000 a $ 500.000
Rotuladora marca PANDUIT: $ 600.000
METODOLOGIA: Las placas se especificarán con el código que en este caso
tiene cada máquina y en caso de no tenerlo nombrarlo, el cual identifica la
sección en donde se encuentra, las iniciales de la máquina y un número
consecutivo.
OBSERVACIONES: Los tableros deben identificar la tensión a la que se deben
alimentar los equipos y la capacidad de las protecciones.
TIEMPO DE EJECUCIÓN: corto plazo (3-4 meses).
4.2.3 PROYECTO DE MEJORA DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
DESCRIPCIÓN: dentro de las instalaciones eléctricas de la empresa el sistema
de puesta a tierra no es el óptimo ya que se pone en riesgo la seguridad de las
personas que laboran dentro de la planta y equipos, por este motivo es necesario
realizar un estudio que permita mejorar estas condiciones, además las
instalaciones tampoco cuentan con un sistema de protección contra descargas
atmosféricas (pararrayos).
JUSTIFICACIÓN: Este proyecto se justifica por las siguientes razones:
Garantizar condiciones de seguridad a seres vivos durante fallas
eléctricas.
Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas.
Servir de referencia al sistema eléctrico.
Conducir y disipar las corrientes de falla con suficiente capacidad.
Eliminar ruidos eléctricos.
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En algunos casos, servir como conductor de retorno.
REQUERIMIENTOS NECESARIOS: diseño de una malla de puesta a tierra en la
planta.
TIEMPO DE EJECUCION: mediano plazo (1-2 años).
OBSERVACIONES:
El valor de la resistencia debe ser el adecuado para cada tipo de
instalación.
La variación de la resistencia debida a cambios ambientales debe ser
mínima.
Su vida útil debe ser mayor de 20 años.
Debe ser resistente a la corrosión.
Su costo debe ser el más bajo posible, sin que se comprometa la
seguridad.
Debe permitir su mantenimiento de las normas y especificaciones.
4.2.4 PROYECTO DE OPTIMIZACIÓN DE LA ILUMINACION DE LA PLANTA.
DESCRIPCIÓN: Debido a que en la planta el trabajo es de tiempo continuo (24
horas), es necesario que la iluminación sea la adecuada para un mejor
desempeño la cual es de 300 luxes y calidad de las labores que ahí se realizan.
Además este tipo de iluminación (bombilla de vapor de mercurio 250 W, 220 V)
representa un mayor consumo de energía. Por este motivo la empresa solicitó un
estudio de iluminación donde se recomienda cambiar ese tipo de luminaria.
Además la iluminación exterior o alumbrado público es insuficiente y esto es un
problema por la inseguridad que en esta zona se presenta.
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JUSTIFICACIÓN: Este proyecto se justifica por las siguientes razones:
Mejora el desempeño de los trabajadores.
Un nuevo tipo de luminaria estaría menos expuesta a la polución ya que estaría
herméticamente sellada.
Bajo costo de mantenimiento debido al alto índice de hermeticidad.
Larga vida útil de la bombilla y accesorios eléctricos.
Seguridad en la planta.
Según diseño previo este es el tipo de iluminación que necesita la empresa para
dar un nivel de iluminación del 92 %.
REQUERIMIENTOS NECESARIOS:
36 Luminarias ONIX-1 de 250 W sodio alta presión 208/220 V 2T con
base fotocelda.
8 Luminarias ZP 1100 400 W MH 208/220 V
12 Luminarias WPS 1268 250 W MH 208/220 V
8 bombillas MH 400 Ovoide Fosforada.
12 bombillas MH 250 W Ovoide Fosforada.
36 bombillas 250 W sodio Ovoide Fosforada.
36 fotoceldas solas.
INVERSIONES ASOCIADAS:
Luminaria ONIX-1 de 250 W sodio alta presión 208/220 V 2T con base
fotocelda:
Valor unitario: $253.760
Luminaria ZP 1100 400 W MH 208/220 V.
Valor unitario:$270.270
Luminaria WPS 1268 250 W MH 208/220 V.
Valor unitario: $ 312.065
Bombilla MH 400 Ovoide Fosforada.
Valor unitario: $68.600
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Bombilla MH 250 W Ovoide Fosforada.
Valor unitario: $65.400
Bombilla 250 W sodio Ovoide Fosforada.
Valor unitario: $58.500
Fotocelda sola.
Valor unitario: $21.500
METODOLOGIA: El estudio se llevó a cabo asumiendo dos condiciones:
1. Luminaria ONIX-1 ubicadas cada 60 m, a una altura de 12 m. Para
alumbrado publico
2. Luminaria ZP 1100 ubicadas a 8 m de altura.
3. Luminaria WPS 1268 ubicadas a 4.5 m de altura.
TIEMPO DE EJECUCION: mediano plazo (1-2 años).
OBSERVACIONES: Las alturas y distribuciones se dan por las características de
cada luminaria y según diseño de fabricación (curvas fotométricas).
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4.3 EVALUACIÓN FINANCIERA La evaluación financiera determina el rendimiento financiero de los recursos que
se van a invertir y tiene como fin establecer si el proyecto es recomendable desde
la óptica financiera.
Existen varios métodos que son utilizados para realizar la evaluación financiera
cuando se tiene en cuenta el valor de dinero en el tiempo:
Valor presente neto (VPN)
Tasa interna de retorno (TIR).
Valor presente neto (VPN): El VPN de un proyecto, es el valor monetario que
resulta de la diferencia entre el valor presente de todos los ingresos y el valor
presente de todos los egresos, calculados en el flujo financiero neto, teniendo en
cuenta el interés de oportunidad (TIO).
Flujo de caja: es un esquema que representa en forma sistemática los egresos e
ingresos del proyecto, registrados periodo por periodo. Para este proyecto se
analizara el flujo de caja para un periodo de 8 años.
Representación flujo de caja:
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Tasa de interés de oportunidad (TIO): la TIO es un concepto financiero
que depende de cada individuo o inversionista de acuerdo con la
oportunidad de utilización de sus recursos monetarios y generación de
riqueza que estos le permiten lograr.
Ecuación de Valor Presente Neto:
∑= +
=+
+++
+=t
tt
opt
op
t
iFFNIÓVPN
iFFNI
iFFNI
FFNIVPN0
10
1
)1()1(...
)1(
Siendo:
FFNI: flujo de fondos netos incremental del tiempo t.
Iop: tasa de interés de oportunidad
Teniendo en cuenta que la ecuación de valor futuro es:
F=P * (1+ i)n
Donde:
F: valor futuro
P: valor presente
I: tasa de interés
n: numero de periodo
tasa interna de retorno (TIR): la TIR es el segundo indicador mas aceptado en la
evaluación de proyectos e indica la capacidad que tiene un proyecto de producir
utilidades, independientemente de las condiciones del inversionista.
En los proyectos mutuamente excluyentes como, en el caso nuestro, se pueden
obtener diferentes respuestas según la tasa de interés que se escoja para
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comprobarla con la TIR, por consiguiente este método conduce a conclusiones
menos confiables que las que obtendrá a partir del VPN. Como lo afirma el autor
no se recomienda utilizar la TIR para comparar proyectos que son mutuamente
excluyentes, cuando se tienen varios proyectos y solamente uno es elegible se
utiliza como indicador el VPN.6
4.3.1 ANÁLISIS ECONOMICO DEL PROYECTO
A continuación se presenta un análisis para establecer si es aconsejable realizar
los cambios que se plantean en este proyecto. En este análisis solo se tuvieron
en cuenta los subproyectos que representan un ahorro económico, los otros
subproyectos son inversiones que no representan beneficios tangibles.
Subproyecto de iluminación de la planta:
Inversión inicial:
Luminaria ONIX-1 250 W sodio 208/220 V → 253.760 valor unitario
Cantidad: 36 luminarias
253.760*36 = $ 9.135.400
Luminaria ZP 1100 400 W MH 208/220 V → 270.270 valor unitario
Cantidad: 8 luminarias
270.270*8 = $ 2.162.200
Luminaria WPS 1268 250 W MH 208/220 V → 312.065 valor unitario 6 Marco Elías Contreras B. Formulación y evaluación de Proyectos
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Cantidad: 12 luminarias
312.065*12 = $ 3.744.800
Bombilla MH 400 W Ovoide fosforada → 68.600 valor unitario
Cantidad: 8 bombillas
68.600*8 = $ 548.800
Bombilla MH 250 W Ovoide fosforada → 65.400 valor unitario
Cantidad: 12 bombillas
65.400*12 = $ $ 784.800
Bombilla 250 W sodio Ovoide fosforada → 58.500 valor unitario
Cantidad: 36 bombillas
58.500*36 = $ 2.106.000
Fotocelda sola → 21.500 valor unitario
Cantidad: 36 fotoceldas
21.500*36 = $ 774.000
Inversión total =
9.135.360+2.162.160+3.744.780+548.800+784.800+2.106.000+774.000
Inversión total= $ 19´255.900
Costo anual en kWh con la iluminación existente en la planta:
Bombilla 250 W 220 V
Para la iluminación interior y exterior de la planta se utilizan 68 luminarias de esta
especificación. Y en un año trabajan aproximadamente 4380 h
Entonces: 68*0.4 kW *4380 h = 119.136 kWh
kWh para la empresa es de: $ 204
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Entonces 119.136* 204 = $ 24.303.744
Costo total = $ 24´303.744 Costo anual en kWh con la nueva iluminación:
Luminaria ZP 1100 400 W MH 208/220 V
8 Luminarias
Entonces: 8*0.4 kW *4380 h = 14.016 kWh
kWh para la empresa es de: $ 204
Entonces 14.016* 204 = $ 2.859.264
Luminaria ONIX-1 250 W sodio 208/220 V
36 Luminarias
Entonces: 8*0.25 kW *4380 h = 8760 kWh
kWh para la empresa es de: $ 204
Entonces 8760* 204 = $ 1.787.040
Luminaria WPS 1268 250 W MH 208/220 V
12 Luminarias
Entonces: 12*0.25 kW *4380 h = 13140 kWh
kWh para la empresa es de: $ 204
Entonces 13140* 204 = $ 2.680.560
Costo total = 2.859.264+1.787.040+2.680.560 = $ 7´326.864
Ahorro anual:
A1-A2 = Ahorro
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A1= Iluminación anterior
A2= Iluminación nueva
24´303.744 - 7´326.864 = 16´976.880
Ahorro anual total = $16´976.880
Costos anuales sin proyecto = $ 24´303.744
Costos anuales con proyecto = $ 7´326.864
Flujo de caja sin proyecto
Se tiene un estimado de 6 años por luminaria
Periodo= 6 años
Flujo de caja con proyecto:
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Flujo de caja = Flujo de caja sin protecto – Flujo de caja con proyecto
VPN = VP beneficio – VP costos
VPc = $ 19´255.900
∑=
=+=t
t
topB i
FFNIVP
0588.621.35)1(
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FFNI = $16´976.880
Iop = 17 % Valor suministrado por PROTEICOL S.A.
VPN = 35.621.588 – 19´255.900 = $ 16´365.688
Aplicando formulas de EXCEL se obtuvo el siguiente valor para el TIR
TIR = 26%
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En observancia a los parámetros establecidos en la norma IEEE 519, en lo
concerniente a la distorsión armónica total de corriente y de voltaje se encontró que
estas se hallan por debajo del 15% y del 5% respectivamente que son los
porcentajes máximos permitidos por la norma. Respecto a los porcentajes de
distorsión armónica individual, se encontró que en el transformador el quinto
armónico sobrepasa el límite establecido por la norma IEEE 519 el cual es del 3%
para tensión.
Al confrontar con la norma IEEE 1159 los transitorios electromagnéticos Sags y
Swells, se encontró que los valores registrados no superan los limites establecidos
por la norma referida, la cual establece que los Sags de tensión no deben ser
menores al 90% del valor nominal, y los Swells no pueden ser superiores al 110%.
Analizado las instalaciones eléctricas actualmente en operación en la empresa, se
encontraron las siguientes falencias:
• las celdas, tableros y protecciones no están debidamente identificados.
• El sistema de bandeja porta cable no es el adecuado para este uso, y menos
para este tipo de industria ya que es una canaleta cerrada la cual se presta
para el deposito de harina y plumas.
• Las protecciones termomagneticas están diseñadas de manera inadecuada
debido a los cambios que han sufrido las instalaciones eléctricas de la
empresa.
• La ubicación de la subestación es impropia por que se encuentra cerca de la
zona de la empacadora y almacenaje de harina la cual genera un problema
de polución excesivo.
• Los equipos de media y señalización no se hallan en operación, hecho que
genera falta de información para que los operarios puedan evaluar las
condiciones de operación y funcionamiento de las maquinas.
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• Contrastando la aplicación del reglamento técnico vigente para instalaciones
eléctricas RETIE, la planta no cumple con los niveles mínimos de iluminación
recomendados para este tipo de industrias, el cual es de 300 luxes a una
altura de trabajo de 1. 20 m.
En la evaluación financiera que se hizo al subproyecto de calidad de potencia se
obtiene un ahorro en los costos equivalente a 17 millones de pesos anuales
aproximadamente con, con una TIR de 26%.
La realización de este estudio significó un aporte importante para la empresa
PROTEICOL S.A. pues de acuerdo con la hipótesis planteada durante el desarrollo
del anteproyecto, en las instalaciones de esta empresa efectivamente existen
problemas, los cuales representaran un problema para la calidad de potencia en un
futuro en esta industria.
Se recomienda implementar la identificación de las celdas, protecciones y circuitos
propuesta en este trabajo de grado, pues con esto se mejorarán las instalaciones de
la empresa y facilitará a los operarios la ubicación de las mismas.
El cambio de los sistemas de alimentación de tableros por un sistema que le de mejor
manejo al cableado de la planta para mejorar la regulación, evitar la pérdida de
tensión en los conductores y evitar futuras fallas de los equipos.
Se debe independizar el neutro del transformador de potencia ya que esto es un
peligro en el caso de una falla. Además se debe desarrollar un sistema de
iluminación que garantice las normas mínimas exigidas por el RETIE tanto parta
alumbrado interior como exterior. Los elementos de medida y señalización tales como
amperímetros y voltímetros deben ser reinstalados para ayudar al mejor desempeño
de los operarios encargados de la operación de estas maquinas.
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En un futuro se debe pensar en instalar filtros para suplir los armónicos ya que estos
pueden tender a subir con la instalación de UPS y variadores de velocidad.
Los sistemas porta cables deben ser cambiados por sistemas ranurados los cuales
no permite almacenar harina o plumas las cuales se almacenan en la misma
generando perdidas por calentamiento de conductores.
Se aconseja independizar la subestación, de la zona de cargue, para que de esta
manera reduzca el nivel de contaminación existente en la misma.
La elaboración de este proyecto de grado es un aporte importante para la empresa
PROTEINAS Y ENERGETICOS DE COLOMBIA “PROTEICOL S.A. “ puesto que los
diferentes cambios que ha tenido la empresa en sus instalaciones eléctricas y el
crecimiento de la producción, requieren solucionar aquellos problemas que puedan
afectar su visión de extenderse y consolidarse como una de las empresas mas
grandes en su genero, superando a su casa matriz AGROSAN S.A. ubicada en
Amagá (Antioquia).
Finalmente se puede aseverar que el trabajo de grado se desarrolló cumpliendo cada
uno de los objetivos propuestos, hecho que se puede verificar con las conclusiones y
recomendaciones enunciadas anteriormente, asimismo el haber podido confrontar lo
teórico con lo practico me enriqueció como persona y como profesional de la
ingeniería eléctrica, de cómo al operacionalizar el concepto teórico en la experiencia
practica se necesita manejar criterios que nos permitan ubicarnos en la situación real
en la empresa y del entorno empresarial y social que estamos analizando, pues se
plantearon soluciones como los vistos anteriormente, los cuales permiten optimizar
las instalaciones eléctricas y mejorar la calidad de la potencia de la empresa
PROTEICOL S.A. Si bien es cierto las conclusiones y recomendaciones planteadas
en el trabajo de grado para dar soluciones a las deficiencias halladas
específicamente a la planta PROTEICOL S.A. pueden ser generalizadas para
empresas del mismo sector.
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_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 75
BIBLIOGRAFIA
DUGAN. Roger, Electrical power system quality.
ELIAS CONTRERAS Marco B. Formulación y evaluación reproyectos 1995
IEEE Recommended practices for monitoring electric power quality, (IEEE 1119)
IEEE Recommended practices and requeriments for harmonic control in electrical
power sistems (IEEE 519)-
Reglamento técnico de instalaciones eléctricas RETIE
NORMA ICONTEC 1340: Variaciones de la tensión de la red en estado estable en +5
% y -10% con respecto al valor nominal. NEC 1986 y ANSI C48.1
UNIVERSIDAD DE LA SALLE. Tutorial Data view profesional.
CALIDAD DE SUMINISTRO ELECTRICO. Curso tutorial II Congreso Internacional
de la region Andina IEEE ANDESCON 2004.
MUNDO ELECTRICO. Vol. 14 No 38, Vol 17 No 53, Vol 13 No. 35, Vol 16 No 49
INTERNET
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ANEXOS
Anexo A. Diagrama Unifilar PROTEICOL S.A.
I 1 I 2 I 3 V 1 V2 V3 U1 U2 U3 I 1 I 2 I 3 V 1 V2 V3
PROMEDIO 60,0 213,6 219,2 225,2 245,2 245,4 243,9 425,6 423,6 423,1 7,603 9,093 6,656 2,582 2,778 2,690
MÁXIMO 60,1 312,7 308,8 322,1 248,9 249,9 247,4 432,1 429,7 429,3 17,40 20,40 16,10 3,300 3,600 3,400
MINIMO 59,9 133,1 145,7 147,6 241,0 247,4 239,8 418,3 416,4 416,0 3,500 4,500 3,000 1,600 1,700 1,500
PROMEDIO 59,98 45,36 47,72 43,22 246,2 245,6 244,4 426,4 423,9 424,9 4,442 4,600 4,582 2,614 2,453 2,594
MÁXIMO 60,09 65,80 68,70 63,90 250,5 249,9 248,8 434,2 431,2 432,4 12,40 10,10 10,50 3,700 3,400 3,600
MINIMO 59,90 0,00 0,00 0,00 241,0 240,4 239,3 417,3 414,9 416,1 0,000 0,000 0,000 1,800 1,700 1,900
MUESTRAS 1619
PROMEDIO 59,98 180,0 209,1 179,3 243,5 244,2 242,4 423,0 421,4 420,4 11,70 11,63 11,92 1,941 1,980 2,004
MÁXIMO 60,05 182,9 212,9 182,4 247,5 248,2 246,5 429,9 428,3 427,3 14,60 14,50 15,10 2,500 2,500 2,700
MINIMO 57,00 177,8 206,4 177,4 240,8 241,5 240,0 418,3 417,1 415,9 9,50 9,40 9,60 1,500 1,500 1,500
MUESTRAS 445
FECHA VALOR
Tabla 12. Valores promedio, máximo y mínimo de los parámetros eléctricos monitoreados por el analizador de redes en el transformador, en el banco de condensadores y en una de las cargas de PROTEICOL S.A.
15/04/2005
VOLTAJE (V) VOLTAJE (U) THD VOLTAJE %FRECUENCIA (Hz)
CORRIENTE (A) THD CORRIENTE %
PROMEDIO TOTAL
PROMEDIO MÁXIMO
219,3
21/04/2005
28/04/2005
MUESTRAS 1709
PROMEDIO MINIMO
PROMEDIO TOTAL
PROMEDIO MÁXIMO
PROMEDIO MINIMO
PROMEDIO TOTAL
PROMEDIO MÁXIMO
PROMEDIO MINIMO
314,5
142,1
244,8
242,7
424,1 7,8 2,7
248,7 430,4 18,0 3,4
416,9 3,7 1,6
45,4
66,1
0,0
245,4
240,2
425,1 4,5 2,6
249,7 432,6 11,0 3,6
416,1 0,0 1,8
2,0
192,7 247,4 428,5 14,7 2,6
189,5 243,4 421,6 11,8
1,5187,2 240,8 417,1 9,5
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA
_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 77
Anexo B. Registro de los parámetros eléctricos monitoreados con el analizador de
redes en el transformador de potencia, banco de condensadores y motor de 50 hp.
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA
_______________________________________________________________________ WILLIAM ALFONSO CARDENAS 113
Anexo D. Graficas de los parámetros eléctricos monitoreados con el analizador
de red en el transformador de tensión, banco de condensadores y motor 50 hp.
Figura2, Tensiones registradas el 15 de Abril 2005 Transformador 500 kVA
236
239
242
245
248
08:30
:00 a.
m.
09:00
:00 a.
m.
09:30
:00 a.
m.
10:00
:00 a.
m.
10:30
:00 a.
m.
11:00
:00 a.
m.
11:30
:00 a.
m.
12:00
:00 p.
m.
12:30
:00 p.
m.
01:00
:00 p.
m.
01:30
:00 p.
m.
02:00
:00 p.
m.
02:30
:00 p.
m.
03:00
:00 p.
m.
03:30
:00 p.
m.
04:00
:00 p.
m.
04:30
:00 p.
m.
05:00
:00 p.
m.
05:30
:00 p.
m.
06:00
:00 p.
m.
HORA
TEN
SIÓ
N (V
)
V1V2V3
Figura1, Corrientes registradas el 15 de Abril 2005 Transformador 500 kVA
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
08:30
:00 a.
m.
09:00
:00 a.
m.
09:30
:00 a.
m.
10:00
:00 a.
m.
10:30
:00 a.
m.
11:00
:00 a.
m.
11:30
:00 a.
m.
12:00
:00 p.
m.
12:30
:00 p.
m.
01:00
:00 p.
m.
01:30
:00 p.
m.
02:00
:00 p.
m.
02:30
:00 p.
m.
03:00
:00 p.
m.
03:30
:00 p.
m.
04:00
:00 p.
m.
04:30
:00 p.
m.
05:00
:00 p.
m.
05:30
:00 p.
m.
06:00
:00 p.
m.
HORA
CO
RR
IEN
TE (A
)
I1I2I3
Figura 3, THD de corriente registrado el 15 de Abril 2005 Transformador 500 kVA
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
08:30
:00 a.
m.
09:00
:00 a.
m.
09:30
:00 a.
m.
10:00
:00 a.
m.
10:30
:00 a.
m.
11:00
:00 a.
m.
11:30
:00 a.
m.
12:00
:00 p.
m.
12:30
:00 p.
m.
01:00
:00 p.
m.
01:30
:00 p.
m.
02:00
:00 p.
m.
02:30
:00 p.
m.
03:00
:00 p.
m.
03:30
:00 p.
m.
04:00
:00 p.
m.
04:30
:00 p.
m.
05:00
:00 p.
m.
05:30
:00 p.
m.
06:00
:00 p.
m.
HORA
% T
HD
I THDIATHDIBTHDICIEEE 519
Figura 4, THD de voltaje registrado el 15 de Abril 2005 Transformador 500 kVA
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
08:30
:00 a.
m.
09:00
:00 a.
m.
09:30
:00 a.
m.
10:00
:00 a.
m.
10:30
:00 a.
m.
11:00
:00 a.
m.
11:30
:00 a.
m.
12:00
:00 p.
m.
12:30
:00 p.
m.
01:00
:00 p.
m.
01:30
:00 p.
m.
02:00
:00 p.
m.
02:30
:00 p.
m.
03:00
:00 p.
m.
03:30
:00 p.
m.
04:00
:00 p.
m.
04:30
:00 p.
m.
05:00
:00 p.
m.
05:30
:00 p.
m.
06:00
:00 p.
m.
HORA
% T
HD
V THDVANTHDVBNTHDVCNIEEE 519
Figura 5, THD de corriente registrado el 21 de Abril 2005 Motor 50 hp
2
4
6
8
10
12
14
16
09:00
:00 a.
m.
09:30
:00 a.
m.
10:00
:00 a.
m.
10:30
:00 a.
m.
11:00
:00 a.
m.
11:30
:00 a.
m.
12:00
:00 p.
m.
12:30
:00 p.
m.
01:00
:00 p.
m.
01:30
:00 p.
m.
02:00
:00 p.
m.
02:30
:00 p.
m.
03:00
:00 p.
m.
03:30
:00 p.
m.
04:00
:00 p.
m.
04:30
:00 p.
m.
05:00
:00 p.
m.
05:30
:00 p.
m.
06:00
:00 p.
m.
HORA
% T
HD
I THDIATHDIBTHDICIEEE 519
Figura 6, THD de voltaje registrado el 21 de Abril 2005 Motor 50 hp
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
09:00
:00 a.
m.
09:30
:00 a.
m.
10:00
:00 a.
m.
10:30
:00 a.
m.
11:00
:00 a.
m.
11:30
:00 a.
m.
12:00
:00 p.
m.
12:30
:00 p.
m.
01:00
:00 p.
m.
01:30
:00 p.
m.
02:00
:00 p.
m.
02:30
:00 p.
m.
03:00
:00 p.
m.
03:30
:00 p.
m.
04:00
:00 p.
m.
04:30
:00 p.
m.
05:00
:00 p.
m.
05:30
:00 p.
m.
06:00
:00 p.
m.
HORA
% T
HD
V THDVANTHDVBNTHDVCNIEEE 519
Figura 7, THD de corriente registrado el 28 de Abril 2005 Banco de condensadores
2
4
6
8
10
12
14
16
08:00
:00 a.
m.08
:30:00
a.m.
09:00
:00 a.
m.09
:30:00
a.m.
10:00
:00 a.
m.10
:30:00
a.m.
11:00
:00 a.
m.
11:30
:00 a.
m.12
:00:00
p.m.
12:30
:00 p.
m.01
:00:00
p.m.
01:30
:00 p.
m.
02:00
:00 p.
m.02
:30:00
p.m.
03:00
:00 p.
m.03
:30:00
p.m.
HORA
% T
HD
I THDIATHDIBTHDICIEEE 519
Figura 8, THD de voltaje registrado el 21 de Abril 2005 Motor 50 hp
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
08:00
:00 a.
m.
08:30
:00 a.
m.
09:00
:00 a.
m.
09:30
:00 a.
m.
10:00
:00 a.
m.
10:30
:00 a.
m.
11:00
:00 a.
m.
11:30
:00 a.
m.
12:00
:00 p.
m.
12:30
:00 p.
m.
01:00
:00 p.
m.
01:30
:00 p.
m.
02:00
:00 p.
m.
02:30
:00 p.
m.
03:00
:00 p.
m.
03:30
:00 p.
m.
HORA
% T
HD
V
THDVANTHDVBNTHDVCNIEEE 519
Figura 9. Corrientes registradas en el transformados 500 kVA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
ORDEN ARMONICO
%TH
D I1I2I3
Figura 10. Corrientes registradas en banco de condensadores
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
ORDEN ARMONICO
%TH
D I1I2I3
Figura 11. Corrientes registradas en motor 50 hp
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
ORDEN ARMONICO
%TH
D I1I2I3
Figura 12. Tensiones armónicas registradas en el transformador de 500kVA
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
ORDEN ARMONICO
% T
HD VI
V2V3
Figura 13. Tensiones armónicas registradas en bamco de condensadores
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
ORDEN ARMONICO
% T
HD VI
V2V3
|
Figura 14, Tensiones armónicas registradas en motor 50 hp
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
ORDEN ARMONICO
% T
HD VI
V2V3